Солнечное теплоснабжение: состояние дел и перспективы развития

СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ: СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

 

В.А. Бутузов,

канд. техн. наук,  директор ЗАО «Южно-русская энергетическая компания»

Новая концепция развития теплоэнергетики России предусматривает увеличение масштабов строительства котельных малой мощности, децентрализованного теплоснабжения. При этом в южных регионах использование солнечной энергии для горячего водоснабжения позволяет замещать в межотопительный период от 50 до 100% органического топлива. Только в Краснодарском крае эксплуатируется 42 гелиоустановки, на которых установлено 3 400 м² солнечных коллекторов. На фото представлена гелиоустановка горячего водоснабжения в г. Краснодаре производительностью 20 м³ в день, эксплуатируемая 12 лет. Сооружение гелиоустановок в небольших объемах продолжается в последние годы, на основе отечественного оборудования, в основном, в Краснодарском крае /1, 2/.

В силу известных обстоятельств за минувшие 10 лет распалась система развития солнечного теплоснабжения. В СССР в 1990 году эксплуатировались гелиоустановки общей площадью около 150 тыс. м² солнечных коллекторов. В то же время в США функционировали гелиоустановки общей площадью 10 млн. м², солнечные коллекторы для которых выпускались 80 фирмами.

В СССР солнечные коллекторы производились в Братске, Тбилиси, Торжке, Киеве, Баку, Коврове, Москве.

Большая часть солнечных коллекторов выпускалась Братским заводом отопительного оборудования и проектно-производственным объединением «Спецгелиомонтаж» в г. Тбилиси. Коллекторы имели штампосварные панели из черного металла, что обуславливало их малый срок службы. В США в то же время 90% коллекторов выпускались с теплопоглощающей панелью из меди.

Наиболее масштабные работы в СССР по практическому развитию солнечного теплоснабжения осуществлялись под руководством Нугзара Меладзе в объединении «Спецгелиомонтаж» в г. Тбилиси. Осуществлялся весь комплекс работ: научно-исследовательские, опытно-конструкторские, проектирование гелиоустановок, производство солнечных коллекторов, монтаж и обслуживание гелиоустановок. К 1990 году на 261 объекте в Грузии, Крыму, Краснодарском крае, Ростовской области были смонтированы гелиоустановки с общей площадью солнечных коллекторов собственного производства 46,4 тыс. м², 85 индивидуальных гелиоустановок общей площадью 364 м². Большинство этих гелиоустановок работает и в наши дни.

В СССР существовала нормативно-информационная база солнечного теплоснабжения.

При расчетах гелиоустановок интенсивность солнечной радиации принималась по Справочнику /З/, в котором были обобщены материалы многолетних исследований на всей территории страны.

В 1990 году был введен в действие ГОСТ на солнечные коллекторы /4/, который, однако, заводами-изготовителями, как правило, не выполнялся.

Нормы проектирования гелиоустановок горячего водоснабжения /5/, Рекомендации по проектированию разработаны Киевским институтом экспериментального проектирования и утверждены Госстроем СССР в 1987 году.

В альбоме проектных решений /7/ был обобщен опыт разработки отечественных гелиоустановок.

В СССР существовали ведущие научно-исследовательские, проектные, производственные организации, специализирующиеся на гелиотехнике, например, Институт высоких температур Академии наук СССР (Москва), Физико-технический институт Академии наук Узбекистана (г. Ташкент), НПО «Солнце» в Ашхабаде, Киевский научно-исследовательский институт экспериментального проектирования, Центральный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования инженерного оборудования (Москва), объединение «Спецгелиомонтаж» (г. Тбилиси).

Апробация научных разработок, обобщение опыта разработки и эксплуатации сооружения гелиоустановок осуществлялось на страницах журнала «Гелиотехника», издаваемого Академией наук Узбекистана в г. Ташкенте.

В современных условиях со стабилизацией экономического положения растет интерес потребителей к сооружению гелиоустановок. Необходим анализ отечественного и зарубежного опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок.

Экономическая целесообразность сооружения гелиоустановок определяется в основном интенсивностью солнечной радиации, стоимостью солнечных коллекторов и стоимостью замещаемой тепловой энергии.

Уровень солнечной радиации южных регионов России определяет экономическую целесообразность применения гелиоустановок преимущественно для горячего водоснабжения. Так, для г. Краснодара расчетная интенсивность суммарной солнечной радиации в июле составляет 670 МДж/м², а в декабре только 80 МДж/м².

В настоящее время разработкой и монтажом гелиоустановок в России занимается в основном “Южно-русская энергетическая компания”. Смонтировано 30 гелиоустановок, на которых установлено 1 000 шт солнечных коллекторов Ковровского механического завода. На фото 2 представлена одна из гелиоустановок на столовой пансионата «Лесная поляна» в г. Новороссийске производительностью 7 м³ в день.

Нормы проектирования /5/ были разработаны для гелиоустановок горячего водоснабжения малой производительностью, в настоящее время они устарели и практической значимости не имеют.

При проектировании гелиоустановок интенсивность солнечной радиации принимается по Справочнику /З/ с уточнением по известным методикам.

Рекомендации по проектированию /6/ и альбом технических решений /7/ также устарели.

Основные элементы гелиоустановок – солнечные коллекторы в России в настоящее время серийно изготавливаются Ковровским механическим заводом и фирмой «Конкурент» в г. Жуковский Московской области.

При этом отсутствие действующего государственного стандарта, регламентирующего технические требования к солнечным коллекторам, их характеристикам и методам испытаний, является одним из сдерживающих фактором освоения выпуска новых конструкций.

Ковровским заводом выпущено 2 000 солнечных коллекторов. Для данного завода характерно оптимальное для российского рынка соотношение цена–качество. Во всех модификациях коллектора теплопоглощающая панель выполнена из латунной трубки, что обеспечивает коррозионную стойкость, и имеются различные конструкции плавников (алюминиевые литые, стальные с обжимом и сваркой). Покрытие теплопоглощающей панели – селективная эмаль. Стекло – оконное толщиной 4 мм, корпус стальной. Теплоизоляция – пенополиуретан, воздушные полости из пергамина. Тыльная сторона теплоизоляции – стальной лист, пергамин на ДВП. Площадь коллектора 0,8–1,07 м². Масса сухая 24–26 кг/м², с водой 27–30 кг/м². Рабочее давление 6 кгс/см². Стоимость 70 долл. США/м².

Солнечные коллекторы фирмы «Конкурент» имеют технические характеристики на уровне лучших зарубежных образцов. Теплопоглощающая панель штампосварная из нержавеющей стали. Селективное покрытие выполнено напылением в вакуумной камере. Теплоизоляция комбинированная: базальтовое волокно в алюминиевой фольге, пенополиуретан. Стекло упрочненное градостойкое с низким содержанием железа толщиной 3 мм, корпус и тыльная сторона коллектора выполнены из алюминиевых сплавов. Площадь коллектора 1 м². Масса сухая 23,5 кг, с водой 24,75 кг. Рабочее давление 6 кгс/см². стоимость 220 долл. США. Данный коллектор имеет малое сечение каналов теплопоглощающей панели и рассчитан для работы на антифризе.

В Украине солнечные коллекторы изготавливает предприятие «Южстальконструкция» (г. Симферополь), фирма «Соланж» (г. Киев), Крымский электротехнический завод (г. Севастополь).

Симферопольский завод выпускает солнечные коллекторы с теплопоглощающей панелью из алюминиевого профиля площадью 1,5 м². Стекло оконное. Корпус из алюминиевого профиля. Теплоизоляция – пенополиуретан. Стоимость 100 долл. США/м².

Севастопольский завод отдельными партиями изготавливает коллекторы с теплопоглощающей панелью из стальных труб, приваренных к стальному листу. Стекло оконное. Корпус стальной. Площадь коллектора 1,03 м². Стоимость 100 долл. США/м².

Киевская фирма предлагает две модели солнечных коллекторов. Модель КС–3 имеет листотрубную стальную теплопоглощающую панель. Площадь 1,5 м². Масса сухая 41 кг, с водой 59 кг. Стоимость 50 долл. США/м². Модель КСБ–400 имеет теплопоглощающую панель из латунных трубок с алюминиевым оребрением. Площадь 1,4 м², масса сухая 28 кг, с водой 36 кг. Стоимость 125 долл. США/м².

Из зарубежных конструкций оптимальное соотношение цена–качество имеют израильские коллекторы, которые можно разделить на три типа:

- наиболее качественные стоимостью свыше 150 долл. США/м²;

- средние по качеству стоимостью до 150 долл. США/м²;

- стандартного качества стоимостью до 100 долл. США/м².

Наиболее качественные коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и медного листа, способ соединения панели и труб – сварка. Покрытие – селективное. Стекло градостойкое, содержание железа 0,03%, толщина 3,2 мм. Корпус из оцинкованной стали с покрытием порошковым полиэстером или из анодированного алюминия. Теплоизоляция – пенополиуретан, стекловата.

Средние по качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и стального листа. Способ соединения – обжимом. Покрытие – селективное. Стекло градостойкое с низким содержанием железа толщиной 3,2 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция – пенополиуретан.

Стандартные по качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из оцинкованных стальных труб и листа. Способ соединения – обжимом. Покрытие – селективная эмаль. Стекло оконное 3 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция – пенополиуретан.

Каковы перспективы развития солнечного теплоснабжения в России? Как известно, во всех развитых странах использование возобновляемых источников энергии стимулируется государственным дотированием, льготным кредитованием и прочее. Очевидно, в ближайшие годы такой государственной поддержки ожидать не приходится. Определяющим фактором будет только экономическая целесообразность. В самом общем случае срок окупаемости гелиоустановки определяется по формуле

(1)

где S_c – удельная стоимость гелиоустановки, руб./м²;

Q – годовое количество теплоты, выработанное гелиоустановкой, Гкал/м²;

C_m – стоимость теплоты от традиционного энеproисточника, руб./Гкал.

Расчет срока окупаемости по формуле (1) не является объективным, так как он не учитывает энергетическую сопоставимость сравниваемых вариантов. Последнее имеет место, когда количество тепловой энергии, вырабатываемое гелиоустановкой за расчетный срок службы сопоставимо с затратами энергии на производство материалов солнечных коллекторов, оборудования и конструкций гелиоустановок.

Тогда срок энергетической окупаемости гелиоустановки можно определить по формуле

(2)

где S(m_г • Э_г), S(m_у • Э_у) – суммы произведений масс и энергоемкости материалов соответственно солнечных коллекторов, вспомогательных конструкций и оборудования гелиоустановок;

Q_s – количество тепловой энергии, выработанное гелиоустановкой за год;

n – расчетный срок эксплуатации гелиоустановки.

Коэффициент 1,2 учитывает затраты энергии при монтаже гелиоустановок.

Расчеты по формуле (2) показывают, что для теплопоглощающей панели из латунной трубки замена стальных ребер на алюминиевые увеличивает срок энергетической окупаемости в 1,5 раза.

Таким образом, совершенствование конструкции коллектора имеет ограничения по критерию энергетической окупаемости. Аналогичный подход целесообразен и для гелиоустановок в целом.

Вышеуказанные факторы свидетельствуют, что для современного рынка России необходим коллектор, имеющий предельно низкую стоимость при приемлемых теплотехнических характеристиках. Если для западных конструкций характерно стремление повысить КПД коллектора применением цветных металлов, дорогостоящих технологий и теплоизоляции, то для России на данном этапе целесообразно следующее:

- теплопоглощающая панель должна быть коррозионно-устойчивой для работы в одноконтурных схемах;

- селективное покрытие лакокрасочное;

- корпус стальной с надежным покрытием;

- стекло оконное толщиной 4 мм;

- теплоизоляция обычная или с применением воздушных полостей;

- стоимость 40–70 долл. США/м².

К первоочередным мероприятиям следует отнести также выработку новых норм проектирования гелиоустановок, которые, учитывая отечественный и зарубежный опыт, дадут ориентиры создания новых перспективных установок.

Государственный стандарт России на технические требования к солнечным коллекторам, ожидаемый к утверждению в текущем году, следует дополнить методиками испытания как на стендах, так и в натурных условиях.

Из организационных мер наиболее значимым является обобщение опыта сооружения и эксплуатации гелиоустановок. Единственной организацией, способной это сделать, является Госэнергонадзор, в задачи которого входит развитие энергосбережения, в том числе с использованием возобновляемых источников энергии.

С учетом изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Отечественный и зарубежный опыт разработки и создания гелиоустановок свидетельствует о перспективности развития данного направления. В СССР была создана научная, нормативная база, освоен выпуск оборудования гелиоустановок.

2. В настоящее время в России выпускаются солнечные коллекторы оптимальные по соотношению цена–качество. Требуется доработка государственного стандарта на конструкцию солнечного коллектора, норм и рекомендаций по проектированию гелиоустановок.

3. В современных условиях наиболее дееспособной государственной структурой для развития солнечного теплоснабжения является Госэнергонадзор.

Литература

1. Бутузов В.А. Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае. – «Промышленная энергетика». 1997, № 2.

2. Бутузов В.А. Анализ опыта проектирования и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения. Сборник трудов АВОК, 26–29 мая, Спб., 1998.

3. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Часть 3. Солнечная радиация. Выпуск 13. Часть 1. Солнечная радиация и солнечное сияние. Л., Гидрометеоиздат, 1990.

4. ГОСТ 28310-89. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М., Госстандарт, 1989.

5. ВСН 52-86. Нормы проектирования. Установки солнечного горячего водоснабжения. Госгражданстрой СССР. М., 1987.

6. Рекомендация по проектированию установок солнечного горячего водоснабжения для жилых и общественных зданий.

КиевЗНИИ-ЭП-Киев, 1987.

7. Альбом для проектирования установок солнечного горячего водоснабжения. Аверьянов В.Н. и др. Спб. – Тула, 1992.

8. Бутузов В.А. Анализ опыта проектирования и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения. Сборник «Энергосбережение на Кубани». Краснодар. Советская Кубань. 1999.