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

АНАЛИЗ РОССИЙСКОГО РЫНКА

В России общая площадь гелиоустановок не превышает 100 тыс. м2 [116]. С 1995 г. по 2002 г. сооружено 42 гели­оустановки горячего водоснабжения производительностью от 1 до 10 м3 горячей воды в день общей площадью 3639 м2, анализ опыта разработки которых выполнен в работах [117-127]. В России самые большие гелиоустановки пло­щадью по 400 м2 построены в 1987 г. под руководством и по проекту автора в г. Анапа, в 1997 г. под руководством П. В. Садилова в пос. Лазаревском (Сочи).

Научные основы проектных решений разработаны Б. В.Тарнижевским и его сотрудниками [128-130]. Методы расчёта систем теплоснабжения представлены также в ста­тьях [131-134].

По данным на 1990 г. в СССР эксплуатировались ге­лиоустановки общей площадью около 150 тыс. м2. Суще­ствовала нормативно-информационная база солнечного теплоснабжения. При расчётах гелиоустановок интенсив­ность солнечной радиации принималась по справочнику [6]. Действовал государственный стандарт на общие тех­нические условия при изготовлении солнечных коллекто­ров. Нормы проектирования гелиоустановок горячего во­доснабжения [135] и рекомендации по их проектированию [27] были разработаны институтом «КиевЗНИИЭП». Ми­нэнерго СССР утвердило Методические указания по расчё­ту и проектированию систем солнечного теплоснабжения [136]. В альбоме для проектирования установок горячего водоснабжения отдельных объектов, а также систем цен­трализованного теплоснабжения был обобщён опыт проек­тирования, конструирования и расчётов, автоматизации, приведены принципиальные схемы, даны примеры кон­структивных решений и расчётов [137]. В СССР было раз­работано более 300 проектов установок солнечного горяче­го водоснабжения и отопления, в том числе 13 типовых и 21 для повторного применения [138].

Ведущей организацией по проектированию гелиоуста­новок в СССР являлся институт «КиевЗНИИЭП», в ко­тором под руководством М. Д. Раби-новича разработано 20 типовых проектов [139]: отдельно стоящей установки солнечного горячего водоснабжения с естественной цир­куляцией для индивидуального жилого дома; унифици­рованной установки солнечного горячего водоснабжения общественных зданий производительностью 7,5; 15; 25; 30; 70 м3/сут.; установки солнечного горячего водоснабже­ния сезонного действия производительностью 2,5; 10; 30;

40; 50 м3/сут. Данным институтом были разработаны де­сятки экспериментальных проектов, в том числе системы солнечного горячего водоснабжения плавательных бассей­нов, солнечно-теплонасосная установка горячего водоснаб­жения (вариант с долгосрочным аккумулированием).

Институтом «ТашЗНИИЭП» были разработаны 10 ти­повых проектов гелиоустановок: системы сезонного го­рячего водоснабжения типовых 4-5 комнатных жилых домов; гелиодушевые на две-четыре кабины, установки го­рячего водоснабжения на 500 и 1000 л/сут.; системы ГВС сезонного действия с ЦТП (6 проектов для различной плот­ности застройки и разного коэффициента использования солнечной энергии); проект солнечно-топливной котель­ной в г. Нариманово площадью 903 м2 [140].

Институтом «ТбилЗНИИЭП» разработаны пять типо­вых проектов гелиоустановок, в том числе системы солнеч­ного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией для одноэтажных 2-5-комнатных жилых домов; одноквар­тирного жилого дома с усиленной теплоизоляцией для сельской застройки районов Восточной Грузии с системой солнечного горячего водоснабжения и отопления; проект солнечно-теплонасосной установки Дома отдыха «Гуми - ста» площадью 980 м2 [141-142].

Московским институтом «ЦНИИЭП инженерного оборудования» были разработаны проекты солнечно­топливной котельной в г. Ашхабад площадью 766 м2, солнечно-теплонасосной установки площадью 690 м2 для гостиничного комплекса в г. Геленджик [143].

Известны несколько компьютерных программ расчё­та гелиоустановок: НИИ санитарной техники (Киев), ин­ститута «КиевЗНИИЭП», Высшего военного инженерно­строительного училища (С.-Петербург) [144].

Разработкой гелиоустановок занимался также Киев­ский инженерно-строительный институт [145]. Сравнение различных методов расчёта систем солнечного теплоснаб­жения выполнено Н. В.Харченко [146]. Математическое мо­делирование гелиоустановок описано В. А.Никифоровым [147-148]. Исследованием гелиоустановок объектов сель­ского хозяйства занимался институт электрификации сельского хозяйства (г. Зерноград, Ростовская обл.) [149]. Учёными Московского энергетического института разра­ботаны методы расчёта систем гелиотеплоснабжения [150].

В России в настоящее время проектирование гелиоу­становок в наибольших масштабах ведётся в Краснодаре под руководством автора [151, 152]. Проектирование ге­лиоустановок выполняется также институтом «Ростовэ - лектропроект» под руководством А. А.Чернявского [153], например проект гелиоустановки пансионата «Лукомо­рье» (Новороссийск). Этим институтом разработаны реко­мендации по проектированию солнечных станций тепло­снабжения с использованием коллекторов Ковровского механического завода. При проектировании применялся Справочник оборудования гелиоустановок [154].

В Украине проектирование гелиоустановок в на­стоящее время, в основном, ведётся под руководством М. Д. Рабиновича [155].

К гелиоустановкам горячего водоснабжения малой производительности относятся установки для жилых до­мов производительностью до 500 л в день. Наиболее полно расчёты, монтаж и эксплуатация таких гелиоустановок в отечественной практике освещены в книге Н. В.Харченко [104]. Данное направление развивалось Ю. К.Рашидовым в Узбекистане [156, 157].

Наиболее совершенные малые гелиоустановки произ­водятся в Германии [159]. Исследования эффективности использования индивидуальных солнечных водонагрева­тельных установок в различных регионах России и Европы выполнены О. С.Попелем и С. Е.Фридом в работе [160].

В России имеется сравнительно небольшой опыт разра­ботки и эксплуатации малых гелиоустановок. По проекту автора построена гелиоустановка жилого дома в станице Благовещенской Краснодарского края производительно­стью 200 л в день с солнечными коллекторами Ковровского механического завода. Гелиоустановка - одноконтурная, циркуляция - термосифонная. Бак выполнен из стали толщиной 3 мм с лакокрасочным покрытием, теплоизо­лирован, размещен на чердаке. Стоимость гелиоустановки 500 дол. В той же станице построены четыре гелиоустанов­ки в домах на базе отдыха «Элита» с коллекторами того же завода такой же производительности. Баки выполнены из пищевой нержавеющей стали, теплоизолированы, с за­щитным покрытием изоляции оцинкованной сталью. Сто­имость гелиоустановок до 700 дол.

Показатели работы гелиоустановки площадью 6 м2 в условиях юга России приведены на рис. 3.28. При этом потребность одного человека в горячей воде принята рав­ной 50 л в день. Как видно, гелиоустановка обеспечивает суточную потребность семьи из четырех человек без теп­лового дублера в межотопительный период с 15 апреля по 15 октября и требует догрева от традиционного источника в остальное время.

В России комплектные гелиоустановки малыми партиями выпускают Ковровский механический за­вод (г. Ковров, Владимирская обл.), фирма «Конкурент» (г. Жуковский, Московская обл.), НПО машиностроения (г. Реутово, Московская обл.). Гелиоустановка Ковровского механического завода состоит из двух солнечных коллек­торов и прямоугольного бака вместимостью 160 л. Сол­нечные коллекторы имеют теплопоглощающую панель из латунной трубки со стальным оребрением, окрашен­ную селективной краской. Стекло - обычное, толщиной 3 мм. Материал теплоизоляции - полости из пергами­на. Корпус выполнен из стального профиля. Масса кол­лектора 24 кг. Бак изготовлен из стали толщиной 3 мм с лакокрасочным покрытием, теплоизолирован полисти-

ролом. Эта гелиоустановка работает по одноконтурной схеме. Бак оснащён регулятором подпитки и распреде­лителем нагретой воды, поступающей от коллекторов. В комплект поставки входят опорные конструкции кол­лекторов, бак, соединительные шланги, крепёжные изде­лия. Общая масса гелиоустановки - 150 кг. Стоимость в комплекте на 2001 г. - 500 дол. (301 дол./м2).

В 1988 г. были выполнены эксплуатационные испыта­ния малой гелиоустановки КМЗ в натурных условиях г. Краснодар. При этом применялись следующие приборы: термометры (ртутные и контактные электронные), пироно­метр М-80М с гальванометром. Режим работы - без водо­разбора в течение суток. Количество воды в баке 120 л. Вре­мя проведения испытаний: август-октябрь. В результате обработки результатов испытаний установлено следующее: - фактический КПД гелиоустановки составляет 45-67 %;

- максимальное значение температуры в верхней ча­сти бака составило 47,2 °С, что ниже расчётного значения (55 °С) и объясняется несовершенной кон­струкцией узла подачи нагретой воды в бак;

- в течение ночного времени вода в баке охлаждалась до первоначального значения (+20 °С) в результате «опрокидывания» циркуляции.

Учитывая приведенные данные, заводу-изготовителю рекомендовано уменьшить гидравлическое сопротивление трубопроводов между коллекторами и баками; заменить распределение воды из коллекторов врезкой специально­го патрубка для организации термосифонной циркуля­ции; установить на трубопроводе после коллекторов обрат­ный клапан; усовершенствовать дизайн гелиоустановки; укомплектовать бак указателем уровня и дублирующим электронагревателем.

Фирма «Конкурент» (с 2001 г. «Радуга-Ц») выпускала гелиоустановку «Радуга-2М», состоящую их двух коллек­торов и бака вместимостью 200 л. Солнечные коллекторы размерами 1830x630x100 мм имели сварную теплопогло­щающую панель из нержавеющей стали с селективным покрытием, стекло - упрочнённое с низким содержани­ем железа. Теплоизоляция выполнялась из базальтового фольгированного волокна, пенополиуретана. Корпус и тыльная сторона коллектора изготовлялись из алюминие­вых сплавов. Прямоугольный бак выполнялся из нержаве­ющей стали, теплоизолировался пенополиуретаном, имел встроенную панель, в которую поступал теплоноситель от солнечных коллекторов (двухконтурная схема). Бак обо­рудовался регулятором подпитки, электронагревателем мощностью 1,6 кВт и терморегулятором с диапазоном регулирования от 10 до 90 °С. В комплект поставки вхо­дили опорная конструкция коллекторов, соединительные шланги, крепежные изделия. Общая масса гелиоустанов­ки 83,5 кг, стоимость в комплекте 950 дол. (450 дол./м2).

Производительность гелиоустановки в день (по данным из­готовителя) в условиях Москвы до 170 л, Краснодара - до 200 л. Продолжительность нагрева воды с 16 до 50 °С в яс­ный солнечный день 6-6,5 ч (при использовании электро­нагревателя 5,5-6 ч). Данные испытаний в натурных условиях не опубликованы. В настоящее время фирмой « Радуга-Ц» указанные гелиоустановки не выпускаются.

НПО машиностроения выпускало одноконтурные ге­лиоустановки производительностью 80 л (один коллектор) и 120 л (два коллектора). Установки одноконтурные. Кол­лекторы двух видов, различающиеся материалом теплопо­глощающей панели: из нержавеющей стали и алюминия. В настоящее время выпускаются только солнеч­ные коллекторы размерами 2007x1007x100 мм с те­плопоглощающей панелью из алюминия марки АД-31, стекло упрочненное, толщиной 4 мм, теплоизоля­ция - изовер (стекловолокно), корпус (обечайка) из алю­миниевого профиля, тыльная сторона теплоизоляции из оцинкованной стали. Масса коллектора 54 кг.

Гелиоустановки горячего водоснабжения, выпускае­мые зарубежными производителями, различаются кон­струкциями солнечных коллекторов, возможностью со­вмещения коллектора и бака в так называемых емкостных солнечных коллекторах, геометрической формой баков (вертикальные, горизонтальные), наличием теплового ду­блера и типом автоматики. В этих установках используются коллекторы как с металлическими теплопоглощающими панелями, так и с пластмассовыми, например, с панелью из полипропиленового проката с горизонтальным баком (фирма Wulfing+ Hauck, Германия). Наибольшим разноо­бразием конструкций гелиоустановок горячего водоснаб­жения бытового назначения характеризуется рынок США. В США применяются солнечные коллекторы площадью 0,9-2,3 м2 с теплопоглощающей поверхностью из нержаве­ющей стали, медных листов, труб с ребрами из различных материалов. Баки-аккумуляторы выполняются из нержа­веющей стали, с покрытием стеклоэмалью, анодированные алюминием, из стеклопластика вместимостью 72-305 л. Стоимость таких гелиоустановок 623-2777 дол./м2.

Объемы выпуска гелиоустановок определяются заинте­ресованностью потребителей, наличием государственного стимулирования, экономическими факторами. Общепри­знанно, что гелиоустановки, тем более малой производи­тельности, пока не могут быть конкурентоспособными тра­диционным источникам энергии. В Европе действуют две модели государственной поддержки развития энергетики. В основе британской модели - обязательные квоты на от­пуск энергии от альтернативных источников. Этой моде­ли придерживаются Франция и Ирландия, однако темпы развития нетрадиционной энергетики в этих странах зна­чительно ниже, чем в государствах, работающих по гер­манской модели. В Германии, Дании, Испании действуют гарантированные государственные дотации на реализацию проектов с использованием возобновляемых источников энергии. Анализ опыта сооружения гелиоустановок в Ис­пании свидетельствует о том, что в условиях наивысшего в Европе уровня солнечной радиации, отсутствия собствен­ных энергоресурсов и соответственно их большой стоимо­сти даже при относительно высоком уровне жизни насе­ления и наличии на рынке гелиооборудования ведущих производителей количество работающих гелиоустановок и площадь установленных солнечных коллекторов в стране незначительны. И только с принятием в 2001 г. закона о дотациях владельцам домов, имеющих гелиоустановки, до 40 % их стоимости резко увеличились объемы продаж. В Италии при аналогичном положении дел с внедрением ге­лиоустановок лишь предстоящее принятие новых государ­ственных мер стимулирования может изменить ситуацию. В России низкие цены на традиционные энергоносители не способствуют массовому применению гелиоустановок.

Для установки производительностью 200 л в день при стоимости замещаемой электроэнергии 1 руб./(кВт-ч) и ее работе только в летнее время в условиях юга страны срок окупаемости в среднем составляет около 10 лет. Вместе с тем при строительстве новых домов с интегрированными в них гелиоустановками целесообразность сооружения ге­лиоустановок не вызывает сомнения.

Анализ опыта разработки, сооружения и эксплуата­ции гелиоустановок большой производительности наибо­лее полно представлен в работах немецких специалистов, например [161]. Автором в статьях [162, 163] выполнен анализ опыта проектирования и эксплуатации аналогич­ных отечественных гелиоустановок. Согласно данным зарубежных исследователей с увеличением площади и соответственно производительности гелиоустановки её стоимостные показатели уменьшаются. Для отечествен­ных гелиоустановок имеет место существенный разброс значений указанного показателя, что обусловливает необ­ходимость дополнительных исследований.

Солнечно-топливные котельные имеют более высокие экономические показатели по сравнению с другими гели­оустановками. Их анализ представлен в работе института «ЦНИИЭПИО» [164]. Разработкой солнечно-топливных котельных в Ташкенте занимались Т. И.Крюкова, С. А.Насонов [165, 166].

Исследование вопросов применения гелиоустановок с воздушными коллекторами в условиях России приведено в работах [167, 168].