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

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕЛИОУСТАНОВОК

В настоящее время в России и странах СНГ растет ин­терес потребителей к использованию гелиоустановок. Ана­лиз, выполненный автором [162-163], показал, что как при нынешнем уровне цен на органическое топливо в Рос­сии, так и при его повышении до мирового уровня, даже для южных российских регионов экономически целесоо­бразно применение солнечной энергии только для горячего водоснабжения.

При проектировании гелиоустановок горячего водоснаб­жения в качестве основных исходных данных необходимы следующие: суточная потребность в горячей воде опреде­ленной температуры и график её потребления по времени суток; данные интенсивности солнечной радиации; срок окупаемости; вид теплового дублера; наличие свободных площадей плоской кровли или возможность сооружения на­веса для размещения солнечных коллекторов; химический состав воды; расчетные ветровые нагрузки и др.

При определении расчетной производительности гели­оустановки установлено, что известные российские нормы расхода горячей воды весьма завышены. Более реальны западные нормы расхода воды с температурой 55 °С - 50 л на человека в сутки. При расчете производительности гелиоустановки определяющее значение имеет интенсив­ность суммарной солнечной радиации, которая для Рос­сии и стран СНГ может быть определена по справочнику [6]. При отсутствии сведений о конкретном населенном пункте в указанном справочнике может быть использован опыт автора по обработке многолетних массивов солнечной радиации и определения расчетных значений для условий Краснодарского края [18].

Экономическая целесообразность сооружения гели­оустановки определяется, в основном, стоимостью сол­нечных коллекторов и замещаемой энергии. Для выбора конкретной конструкции следует определить удельные стоимости различных солнечных коллекторов, ограничив их расчётный КПД максимальным и минимальным зна­чениями [101]. По результатам расчётов и анализа опти­мального соотношения стоимости и теплотехнического со­вершенства солнечного коллектора принимается решение о его конкретной конструкции.

Площадь устанавливаемых солнечных коллекторов рассчитывается по формулам Норм проектирования [135], номограмме альбома [137], паспортным тепловым характе­ристикам. При этом для сезонных гелиоустановок без ду­блера минимальную и максимальную производительности следует определять по продолжительности работы объекта в течение года [101].

Солнечные коллекторы выпускаются в России в соот­ветствии с ГОСТ Р [34, 35] несколькими заводами отдель­ными партиями. Основные характеристики коллекторов, выпускаемых в России и Украине, приведены в главе 19. Данные характеристики получены на российских испыта­тельных стендах, не имеющих международной сертифика­ции. Они не учитывают результаты натурных испытаний. Следует подчеркнуть необходимость доработки россий­ских стандартов до уровня таковых в Германии DIN 4657 и единой Европе EN 12975.

Результаты анализа конструкции солнечных кол­лекторов каждого завода представлены автором в статье [36]. Производители России и Украины выпускают кол­лекторы с теплопоглощающей панелью, в основном, из коррозионно-устойчивых материалов, что определяет их высокую стоимость для внутренних рынков. Оптимальное соотношение «цена-качество» имеют солнечные коллекто­ры КМЗ, которых выпущено около 2300 штук. Коллекто­ры НПП «Радуга-Ц» выпускаются в меньшем количестве. Их применение ограничено высокой стоимостью и возмож­ностью использования только в двухконтурных схемах гелиоустановок. НПО машиностроения выпустило пока опытную партию новых коллекторов.

В соответствии с нормами проектирования гелиоуста­новок [135, п.3.9] угол наклона солнечных коллекторов к горизонту следует принимать равным широте местности для установки, работающей круглый год, а для эксплуа­тируемых только в летний период - широте местности ми­нус 15°. На рис. 3.29 в табл. 3.24 представлены результаты расчётов по методике [136] интенсивности суммарной сол­нечной радиации в плоскости коллектора, расположенного под углом 30° и 45° к горизонту, для условий Краснодара. При угле наклона коллектора 30° в зимние месяцы сум­марная солнечная радиация на 11,3-13,9 % меньше, чем при угле наклона 45°. Летом же при наклоне коллектора 30° суммарная солнечная радиация превышает значения для угла наклона 45° до 10,2 %. Годовое значение суммарной солнечной радиации при угле наклона коллектора 30° пре­вышает аналогичную величину при угле 45°, что суще­ственно отличается от рекомендаций норм.

1 - 30"; 2 - 45"

Согласно требованиям п. 3.9 «Норм проектирования» оптимальной ориентацией солнечных коллекторов счита­ется направление на юг с возможными отклонениями на восток до 20° и на запад до 15°. На рис. 3.30 представлен график изменения суммарной солнечной радиации для условий Краснодара при угле наклона коллектора 30° к го­ризонту и различной его ориентации. Анализ отклонений положения солнца от соответствующего максимальной ра­диации (21 июня) в течение летнего сезона (май - сентябрь) показал, что оно составляет ±15°.

Из графика следует, что значения интенсивности сум­марной солнечной радиации резко уменьшается при от­клонении от южной ориентации более чем на ±15°.

При оптимальной компоновке солнечных коллек­торов снижается стоимость гелиоустановки. Согласно п.3.17 Методических указаний по расчету и проектиро­ванию систем солнечного теплоснабжения [135] расстоя­ние между рядами (блоками) коллекторов по горизонта­ли следует принимать, как правило, равным 1,7 высоты ряда при круглогодичной эксплуатации гелиоустанов­ки, и равным 1,2 высоты ряда - при летней работе. На рис. 3.31 показано определение расстояний между рядами коллекторов при угле их наклона к горизонту 30°.

Размещение солнечных коллекторов возможно двумя способами: а) на кровле котельной или в непосредственной близости от неё; б) на кровлях подключённых к данной ко-

Рис. 3.31.

Оптимальное рассто­яние между рядами коллекторов при угле наклона 30°

тельной потребителей. Преимуществами первого вариан­та являются минимальные тепловые потери, возможность квалифицированного обслуживания персоналом котель­ной, использование оборудования котельной. Основной не­достаток при этом - ограниченность площади гелиополя, так как котельные располагаются обычно на минимальном расстоянии от жилых домов. Преимуществами второго ва­рианта являются возможность размещения коллекторов большой площади, отключения отдельных гелиоустановок без останова всей системы. К недостатку данного варианта следует отнести особые требования к конструкциям кро­вель зданий. При расположении солнечных коллекторов на плоской кровле необходима проверка несущей способ­ности плит перекрытия, а в ряде случаев и несущего кар­каса здания.

В 2001 г. при проектировании гелиоустановки расчёт­ной производительностью 10 м3 в день на плоской кровле здания цеха локомотивного депо в г. Тихорецк, выполнен­ной из железобетонных плит (1,5x6 м) с утеплителем из ке­рамзита и нескольких слоев рубероида по цементной стяж­ке, в 2001 г. установлено 120 солнечных коллекторов КМЗ. Ориентация коллекторов - южная, под углом 45° к продоль­ной оси здания. Угол наклона коллекторов к горизонту 30°. Компоновка - двухрядная пятью блоками по 24 коллекто­ра. Общий вес одного блока с коллекторами, заполненны­ми водой, и опорных металлоконструкций 5600 кг. При
шаге опор 2,5 м расчетная нагрузка на каждую опорную лапу составляет 70 кг, что соответствует удельной нагрузке 67 г/см2 и создает дополнительную нагрузку на каждую пли­ту 140 кг, допустимую по условиям ее прочности. Имеется 12-летний опыт успешной эксплуатации аналогичных опор.

При проектировании гелиоустановки с солнечны­ми коллекторами фирмы AMCOR (Израиль) площадью 198,7 м2 с общей емкостью баков-аккумуляторов 22 м3 на кровле 9-этажного здания санатория им. Фрунзе в Сочи в условиях 9-балльной сейсмичности потребовался дополни­тельный расчет несущей способности каркаса всего здания, а также разработка специальной рамы для размещения коллекторов.

Проектирование опорных металлоконструкций гели­оустановок ведется с учетом ветровых усилий. Так, по­строенная в 1997 г. гелиоустановка с 90 солнечными кол­лекторами КМЗ на берегу Черного моря в г. Новороссийск (нефтепирс «Шесхарис») выдержала порывы ветра скоро­стью 50 м/с.

Установки солнечного горячего водоснабжения с есте­ственной циркуляцией следует проектировать при площади солнечных коллекторов до 10 м2 [135, п. 3.3]. Рекомендации института «Ростовтеплоэлектропроект» определяют пре­дельную производительность таких установок в 2 м3 в день, что соответствует площади солнечных коллекторов до 20 м2.

Опыт проектирования свидетельствует о возмож­ности создания гелиоустановок с естественной цир­куляцией, обеспечивающих значительно большую производительность. Так, построена и успешно экс­плуатируется гелиоустановка производительностью 3,5 м3 в день с 48 солнечными коллекторами (38,4 м2) на базе отдыха «Рассвет» в станице Благовещенской г. Анапа. Коллектор и бак-аккумулятор размещены на колоннах. Грунт песчаный с периодическим смачи­ванием. Гелиоустановка производительностью 6 м3 в день с 72 солнечными коллекторами (57,6 м2), разме­щенными на плоской кровле трехэтажного здания пан­сионата «Лесная поляна», построена в Новороссийске. Бак-аккумулятор емкостью 6 м3 установлен на опор­ных металлоконструкциях. Имеется опыт разработки гелиоустановок с естественной циркуляцией и большей производительности.

Конструкция бака-аккумулятора существенно опре­деляет стоимостные показатели гелиоустановки. Её удельная стоимость с баками из стали СтЗ с покрытием, например холодным оцинкованием, составляет 124-161,6 дол./м2, что значительно ниже, чем с баками из нержавеющей стали (175,5-195,8 дол./м2) [101]. При проектировании гелиоустановок без теплового дублера принимается к установке два бака-аккумулятора по 50 % от расчетной вместимости. Один из них работает в гелио­контуре с солнечным коллектором, второй служит для ак­кумулирования нагретой до заданной температуры воды и подачи ее потребителям.

С участием автора разработаны проекты, выполнен монтаж и успешно эксплуатируются гелиоустановки горя­чего водоснабжения следующей расчетной дневной произ­водительности (типовые проекты):

1) 200 литров - с тремя солнечными коллекторами площадью 2,4 м2 с вариантами монтажа коллекторов на наклонной кровле, бака-аккумулятора в чердачном поме­щении; отдельно стоящей блочной с коллекторами и баком на общих металлоконструкциях, двухконтурной со змее­виком в баке-аккумуляторе;

2) 1000 литров - с 12 солнечными коллекторами пло­щадью 9,6 м2, размещенными на кровле в однорядном исполнении;

3) 2 м3 - с 24 солнечными коллекторами площадью 19,2 м2, размещенными на плоской кровле, на наклонных и горизонтальных навесах;

4) 3 м3 - с 36 солнечными коллекторами площадью 28,8 м2, размещенными на плоской кровле, на фермах над кровлей, на навесах;

5) 4 м3 - с 48 солнечными коллекторами площадью 38,4м2, размещенными на навесе с естественной циркуляцией;

6) 6 м3 - с 72 солнечными коллекторами площадью 57,6 м2, размещенными на плоской кровле с естественной циркуляцией;

7) 10 м3 - с 120 солнечными коллекторами площа­дью 96 м2, размещенными на плоской кровле с насосной циркуляцией.

Разработаны также проекты гелиоустановок расчетной дневной производительности 17 м3 с солнечными коллек­торами «AMCOR» (Израиль):

1) для корпуса № 2 санатория им. Фрунзе в г. Сочи пло­щадью 198,7 м2 с размещением солнечных коллекторов и баков-аккумуляторов общей емкостью 22 м3 на кровле 9 этажного здания.

2) для городского рынка г. Краснодар площадью 220 м2 с размещением солнечных коллекторов на кровле здания, баков-аккумуляторов - в подвальном помещении.

Результаты экономических расчётов гелиоустановок целесообразно в ряде случаев дополнять определением сро­ков энергетической окупаемости, когда количество энер­гии, вырабатываемое гелиоустановкой, сопоставляется с энергоёмкостью её материалов и монтажа [101].