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-

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

(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-

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

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.