СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ:СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
В.А. Бутузов,
канд. техн. наук, директор ЗАО «Южно-русскаяэнергетическая компания»
Новая концепция развития теплоэнергетики России предусматриваетувеличение масштабов строительства котельных малой мощности,децентрализованного теплоснабжения. При этом в южных регионах использованиесолнечной энергии для горячего водоснабжения позволяет замещать вмежотопительный период от 50 до 100% органического топлива. Только вКраснодарском крае эксплуатируется 42 гелиоустановки, на которых установлено 3 400 м2 солнечных коллекторов. На фото представлена гелиоустановка горячего водоснабженияв г. Краснодаре производительностью 20 м3 в день, эксплуатируемая 12 лет. Сооружение гелиоустановок в небольших объемах продолжается в последниегоды, на основе отечественного оборудования, в основном, в Краснодарском крае/1, 2/.
В силуизвестных обстоятельств за минувшие 10 лет распалась система развитиясолнечного теплоснабжения. В СССР в 1990 году эксплуатировались гелиоустановкиобщей площадью около 150 тыс. м2 солнечных коллекторов. В то жевремя в США функционировали гелиоустановки общей площадью 10 млн. м2,солнечные коллекторы для которых выпускались 80 фирмами.
В СССРсолнечные коллекторы производились в Братске, Тбилиси, Торжке, Киеве, Баку,Коврове, Москве.
Большая частьсолнечных коллекторов выпускалась Братским заводом отопительного оборудования ипроектно-производственным объединением «Спецгелиомонтаж» в г. Тбилиси.Коллекторы имели штампосварные панели из черного металла, что обуславливало ихмалый срок службы. В США в то же время 90% коллекторов выпускались степлопоглощающей панелью из меди.
Наиболеемасштабные работы в СССР по практическому развитию солнечного теплоснабженияосуществлялись под руководством Нугзара Меладзе в объединении «Спецгелиомонтаж»в г. Тбилиси. Осуществлялся весь комплекс работ: научно-исследовательские,опытно-конструкторские, проектирование гелиоустановок, производство солнечныхколлекторов, монтаж и обслуживание гелиоустановок. К 1990 году на 261 объекте вГрузии, Крыму, Краснодарском крае, Ростовской области были смонтированыгелиоустановки с общей площадью солнечных коллекторов собственного производства46,4 тыс. м2, 85 индивидуальных гелиоустановок общей площадью 364 м2. Большинство этих гелиоустановок работает и в наши дни.
В СССРсуществовала нормативно-информационная база солнечного теплоснабжения.
При расчетахгелиоустановок интенсивность солнечной радиации принималась по Справочнику /З/,в котором были обобщены материалы многолетних исследований на всей территориистраны.
В 1990 годубыл введен в действие ГОСТ на солнечные коллекторы /4/, который, однако,заводами-изготовителями, как правило, не выполнялся.
Нормыпроектирования гелиоустановок горячего водоснабжения /5/, Рекомендации попроектированию разработаны Киевским институтом экспериментальногопроектирования и утверждены Госстроем СССР в 1987 году.
В альбомепроектных решений /7/ был обобщен опыт разработки отечественных гелиоустановок.
В СССРсуществовали ведущие научно-исследовательские, проектные, производственныеорганизации, специализирующиеся на гелиотехнике, например, Институт высокихтемператур Академии наук СССР (Москва), Физико-технический институт Академиинаук Узбекистана (г. Ташкент), НПО «Солнце» в Ашхабаде, Киевскийнаучно-исследовательский институт экспериментального проектирования,Центральный научно-исследовательский институт экспериментального проектированияинженерного оборудования (Москва), объединение «Спецгелиомонтаж» (г. Тбилиси).
Апробациянаучных разработок, обобщение опыта разработки и эксплуатации сооружениягелиоустановок осуществлялось на страницах журнала «Гелиотехника», издаваемогоАкадемией наук Узбекистана в г. Ташкенте.
В современныхусловиях со стабилизацией экономического положения растет интерес потребителейк сооружению гелиоустановок. Необходим анализ отечественного и зарубежногоопыта разработки и эксплуатации гелиоустановок.
Экономическаяцелесообразность сооружения гелиоустановок определяется в основноминтенсивностью солнечной радиации, стоимостью солнечных коллекторов истоимостью замещаемой тепловой энергии.
Уровеньсолнечной радиации южных регионов России определяет экономическуюцелесообразность применения гелиоустановок преимущественно для горячеговодоснабжения. Так, для г. Краснодара расчетная интенсивность суммарнойсолнечной радиации в июле составляет 670 МДж/м2, а в декабре только80 МДж/м2.
В настоящеевремя разработкой и монтажом гелиоустановок в России занимается в основном“Южно-русская энергетическая компания”. Смонтировано 30 гелиоустановок, накоторых установлено 1 000 шт солнечных коллекторов Ковровского механическогозавода. На фото 2 представлена одна из гелиоустановок на столовой пансионата«Лесная поляна» в г. Новороссийске производительностью 7 м3 в день.
Нормыпроектирования /5/ были разработаны для гелиоустановок горячего водоснабжениямалой производительностью, в настоящее время они устарели и практическойзначимости не имеют.
Припроектировании гелиоустановок интенсивность солнечной радиации принимается поСправочнику /З/ с уточнением по известным методикам.
Рекомендациипо проектированию /6/ и альбом технических решений /7/ также устарели.
Основныеэлементы гелиоустановок – солнечные коллекторы в России в настоящее времясерийно изготавливаются Ковровским механическим заводом и фирмой «Конкурент» вг. Жуковский Московской области.
При этомотсутствие действующего государственного стандарта, регламентирующеготехнические требования к солнечным коллекторам, их характеристикам и методамиспытаний, является одним из сдерживающих фактором освоения выпуска новыхконструкций.
Ковровскимзаводом выпущено 2 000 солнечных коллекторов. Для данного завода характернооптимальное для российского рынка соотношение цена–качество. Во всехмодификациях коллектора теплопоглощающая панель выполнена из латунной трубки,что обеспечивает коррозионную стойкость, и имеются различные конструкцииплавников (алюминиевые литые, стальные с обжимом и сваркой). Покрытие теплопоглощающейпанели – селективная эмаль. Стекло – оконное толщиной 4 мм, корпус стальной. Теплоизоляция – пенополиуретан, воздушные полости из пергамина. Тыльнаясторона теплоизоляции – стальной лист, пергамин на ДВП. Площадь коллектора0,8–1,07 м2. Масса сухая 24–26 кг/м2, с водой 27–30 кг/м2.Рабочее давление 6 кгс/см2. Стоимость 70 долл. США/м2.
Солнечныеколлекторы фирмы «Конкурент» имеют технические характеристики на уровне лучшихзарубежных образцов. Теплопоглощающая панель штампосварная из нержавеющейстали. Селективное покрытие выполнено напылением в вакуумной камере.Теплоизоляция комбинированная: базальтовое волокно в алюминиевой фольге,пенополиуретан. Стекло упрочненное градостойкое с низким содержанием железатолщиной 3 мм, корпус и тыльная сторона коллектора выполнены из алюминиевыхсплавов. Площадь коллектора 1 м2. Масса сухая 23,5 кг, с водой 24,75 кг. Рабочее давление 6 кгс/см2. стоимость 220 долл. США. Данныйколлектор имеет малое сечение каналов теплопоглощающей панели и рассчитан дляработы на антифризе.
В Украинесолнечные коллекторы изготавливает предприятие «Южстальконструкция» (г.Симферополь), фирма «Соланж» (г. Киев), Крымский электротехнический завод (г.Севастополь).
Симферопольскийзавод выпускает солнечные коллекторы с теплопоглощающей панелью из алюминиевогопрофиля площадью 1,5 м2. Стекло оконное. Корпус из алюминиевогопрофиля. Теплоизоляция – пенополиуретан. Стоимость 100 долл. США/м2.
Севастопольскийзавод отдельными партиями изготавливает коллекторы с теплопоглощающей панельюиз стальных труб, приваренных к стальному листу. Стекло оконное. Корпусстальной. Площадь коллектора 1,03 м2. Стоимость 100 долл. США/м2.
Киевскаяфирма предлагает две модели солнечных коллекторов. Модель КС–3 имеетлистотрубную стальную теплопоглощающую панель. Площадь 1,5 м2. Масса сухая 41 кг, с водой 59 кг. Стоимость 50 долл. США/м2. МодельКСБ–400 имеет теплопоглощающую панель из латунных трубок с алюминиевыморебрением. Площадь 1,4 м2, масса сухая 28 кг, с водой 36 кг. Стоимость 125 долл. США/м2.
Из зарубежныхконструкций оптимальное соотношение цена–качество имеют израильские коллекторы,которые можно разделить на три типа:
— наиболеекачественные стоимостью свыше 150 долл. США/м2;
— средние покачеству стоимостью до 150 долл. США/м2;
— стандартного качества стоимостью до 100 долл. США/м2.
Наиболеекачественные коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и медноголиста, способ соединения панели и труб – сварка. Покрытие – селективное. Стеклоградостойкое, содержание железа 0,03%, толщина 3,2 мм. Корпус из оцинкованной стали с покрытием порошковым полиэстером или из анодированногоалюминия. Теплоизоляция – пенополиуретан, стекловата.
Средние покачеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и стальноголиста. Способ соединения – обжимом. Покрытие – селективное. Стекло градостойкоес низким содержанием железа толщиной 3,2 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция – пенополиуретан.
Стандартныепо качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из оцинкованных стальныхтруб и листа. Способ соединения – обжимом. Покрытие – селективная эмаль. Стеклооконное 3 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция – пенополиуретан.
Каковыперспективы развития солнечного теплоснабжения в России? Как известно, во всехразвитых странах использование возобновляемых источников энергии стимулируетсягосударственным дотированием, льготным кредитованием и прочее. Очевидно, вближайшие годы такой государственной поддержки ожидать не приходится.Определяющим фактором будет только экономическая целесообразность. В самомобщем случае срок окупаемости гелиоустановки определяется по формуле
/>
(1)
где Sc– удельная стоимость гелиоустановки, руб./м2;
Q – годовоеколичество теплоты, выработанное гелиоустановкой, Гкал/м2;
Cm– стоимость теплоты от традиционного энеproисточника, руб./Гкал.
Расчет срокаокупаемости по формуле (1) не является объективным, так как он не учитываетэнергетическую сопоставимость сравниваемых вариантов. Последнее имеет место,когда количество тепловой энергии, вырабатываемое гелиоустановкой за расчетныйсрок службы сопоставимо с затратами энергии на производство материаловсолнечных коллекторов, оборудования и конструкций гелиоустановок.
Тогда срокэнергетической окупаемости гелиоустановки можно определить по формуле
/>
(2)
где S(mг • Эг), S(mу • Эу) –суммы произведений масс и энергоемкости материалов соответственно солнечныхколлекторов, вспомогательных конструкций и оборудования гелиоустановок;
Qs– количество тепловой энергии, выработанное гелиоустановкой за год;
n – расчетныйсрок эксплуатации гелиоустановки.
Коэффициент1,2 учитывает затраты энергии при монтаже гелиоустановок.
Расчеты поформуле (2) показывают, что для теплопоглощающей панели из латунной трубкизамена стальных ребер на алюминиевые увеличивает срок энергетическойокупаемости в 1,5 раза.
Такимобразом, совершенствование конструкции коллектора имеет ограничения по критериюэнергетической окупаемости. Аналогичный подход целесообразен и длягелиоустановок в целом.
Вышеуказанныефакторы свидетельствуют, что для современного рынка России необходим коллектор,имеющий предельно низкую стоимость при приемлемых теплотехническиххарактеристиках. Если для западных конструкций характерно стремление повыситьКПД коллектора применением цветных металлов, дорогостоящих технологий итеплоизоляции, то для России на данном этапе целесообразно следующее:
— теплопоглощающая панель должна быть коррозионно-устойчивой для работы водноконтурных схемах;
— селективноепокрытие лакокрасочное;
— корпусстальной с надежным покрытием;
— стеклооконное толщиной 4 мм;
— теплоизоляция обычная или с применением воздушных полостей;
— стоимость40–70 долл. США/м2.
Кпервоочередным мероприятиям следует отнести также выработку новых нормпроектирования гелиоустановок, которые, учитывая отечественный и зарубежныйопыт, дадут ориентиры создания новых перспективных установок.
Государственныйстандарт России на технические требования к солнечным коллекторам, ожидаемый кутверждению в текущем году, следует дополнить методиками испытания как настендах, так и в натурных условиях.
Изорганизационных мер наиболее значимым является обобщение опыта сооружения иэксплуатации гелиоустановок. Единственной организацией, способной это сделать,является Госэнергонадзор, в задачи которого входит развитие энергосбережения, втом числе с использованием возобновляемых источников энергии.
С учетомизложенного можно сделать следующие выводы:
1.Отечественный и зарубежный опыт разработки и создания гелиоустановоксвидетельствует о перспективности развития данного направления. В СССР быласоздана научная, нормативная база, освоен выпуск оборудования гелиоустановок.
2. Внастоящее время в России выпускаются солнечные коллекторы оптимальные посоотношению цена–качество. Требуется доработка государственного стандарта наконструкцию солнечного коллектора, норм и рекомендаций по проектированиюгелиоустановок.
3. Всовременных условиях наиболее дееспособной государственной структурой дляразвития солнечного теплоснабжения является Госэнергонадзор.
Литература
1. Бутузов В.А. Анализ опытаразработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае. – «Промышленнаяэнергетика». 1997, № 2.
2. Бутузов В.А. Анализ опыта проектированияи эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения. Сборник трудов АВОК,26–29 мая, Спб., 1998.
3. Научно-прикладной справочник поклимату СССР. Часть 3. Солнечная радиация. Выпуск 13. Часть 1. Солнечнаярадиация и солнечное сияние. Л., Гидрометеоиздат, 1990.
4. ГОСТ 28310-89. Коллекторысолнечные. Общие технические условия. М., Госстандарт, 1989.
5. ВСН 52-86. Нормы проектирования.Установки солнечного горячего водоснабжения. Госгражданстрой СССР. М., 1987.
6. Рекомендация по проектированиюустановок солнечного горячего водоснабжения для жилых и общественных зданий.
КиевЗНИИ-ЭП-Киев, 1987.
7. Альбом для проектированияустановок солнечного горячего водоснабжения. Аверьянов В.Н. и др. Спб. – Тула,1992.
8. Бутузов В.А. Анализ опытапроектирования и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения. Сборник«Энергосбережение на Кубани». Краснодар. Советская Кубань. 1999.