К.т.н. А.Л. Петросян, доцент, А.Б. Барсегян, инженер, Ереванский государственный университет архитектуры и строительства, Республика Армения

 

Малоэффективность и высокая себестоимость существующих солнеч­ных кол­лек­то­ров (СК) ограничивают области целесообразного применения сис­тем солнечнего тепло­снаб­жения (ССТ). Однако истощение запасов органического топ­лива и его чрезмерное удорожание, тревожная экологическая обстановка в мире из-за вредных и тепловых выбросов в атмосферу, диктуют необходимость поиска методов повышения энерго­эффек­тив­ности систем теплоснабжения (ССТ), по­скольку они потребляют значительное ко­ли­чество тепла разного потенциала. Сог­ласно /1/, до 40% всего добываемого в мире топлива расходуется на эти нужды и поэтому развитые, европейские страны эту отрасль, в основном, перевели к не­традиционным источникам тепла с использованием низкотем­пера­турных вто­рич­ных и естественных энергоресурсов. Особое значение имеют сол­неч­ная энер­гия, энергия грунта, сточных и грунтовых вод и т. д. Ряд стран бывшего СССР, ори­ен­ти­ро­­ван­ных на привозное топливо и имеющих благоприятные климати­ческие усло­вия, такие как страны Закавказья, Черно­мор­ского побережья Украины и т.д., могут весьма успешно использовать эти виды энер­гии, особенно солнеч­ную, однако про­­ектировщики и узкие специалисты сталкиваются со слабой науч­ной, проектной и эксплуатационной базой ССТ, тех­ни­ческими трудностями и высокой стоимостью привозного европейского обо­рудования, а также с психоло­гическими факторами: ССТ в СССР были, почти что, научной фантастикой. Од­нако в нас­тоящий момент они стали весьма актуальны и роль научных работников помочь правительствам своих стран преодолеть этот барьер и решить часть энер­гетических проблем с применением таких систем. В дан­ной статье рассмотрены перспективы исполь­зования солнечной энер­гии в ССТ с комбинацией СК с тепло­вым насосом (ТН), обеспечивающих высокую энер­гоэф­фективность и устойчивую работу за весь пе­риод летних и переходных месяцев го­­да. С применением грун­товых аккуму­ля­то­ров тепла такие системы могут конку­ри­ровать и с тради­цион­ными источ­ни­ками тепла.

В статье /2/ рассмотрены технико-экономические показатели подобной СТС для кон­кретных условий г. Еревана. Сравниваются три основныe варианта с различными нсточниками тепла: среднетемпературный СК (ССК), низко­темпе­ра­тур­ный СК и ТН (НСК+TН) , районный котел (РК).

Принципиальная схема ССТ с НСК+TН /2/, приведена ниже /см. рис. 1/ с изложением основных узлов и принципа работы СТС.

СТС (I контур) с теплоносителем-вода с различными температурами теп­ло­­снабжения (95/70,80/5565/40включает в себя бак-аккумулятор (1) и цир­­куляционный на­сос (2), пода­ющий (3) и обратный (4) теплопроводы, подсо­единенные с внут­ренней теплосе­тью жилых зданий микрорайона и конденсатором (5) ТН (II контур).

Во II контуре источника тепла, в состав ТН, кроме конденсатора (5), вкл­ю­чены дроссель (6), ис­па­ритель (7) и компрессор (8).

IV контур–система утилизации солнечной энергии с низкопотенциаль­ным СК (9), насосом (10) и баком-аккумулятором (11) низкопотенциального ис­точника тепла (НПТ), обводным байпасным трубопроводом (12) со своей ар­ма­турой.

 

Рис.1. Принципиальная схема ССТ с НСК+TН.

I контур- циркуляции теплоносителя, II контур- циркуляция хладагента в ТН, III контур- подача под­зе­м­ной воды в испаритель (7) ТН, IY контур–система утилизации солнечной энергии с НСК

 

Принцип работы ССТ с НСК+TН следующий. В часы солнечного сияния теплота радиации при помощи СК (9) переходит к теплоносителю - к воде или рассолу , циркулируемая на­сосом (10) от бака (11) до СК (9) и испаритель (7). На­гретый в СК рассол охлаждается в испарителе (7) ТН и возвращается в бак-аккумулятор (11) для пос­ледующего нагрева. В ночные и несолнечные часы вода или рассол проходит через бай­пас­ную линию (12), минуя (9), для сокращения тепловых потерь. При применении грунтового аккумулятора вместо рассольного или водяного (11) (в схе­ме не показано), можно достичь использования ССТ и в зимние месяцы, од­нако это, а также ис­поль­зова­ние III контура, в последующих ра­с­­четах не пред­ус­мотрено. III контур- подача под­зе­м­ной воды в испаритель (7) ТН.

За счет низкопотенциального тепла, передаваемого при помощи низ­ко­потен­ци­аль­ного СК, в испарителе (7) хладагент, например , испар­я­ется, и пары поступают в компрессор (8), где сжимаются за счет электропривода. Сжатые пары хладагента, из-за повышения давления, на­гре­ваются до 80-85, а затем сами нагревают в конденсаторе (5) теплоно­си­тель I контура, идущий по обратному теплопроводу (4). Конденсат хла­да­ген­та из кон­денсатора (5) нап­рав­ляется в дроссель (6), где дросселируется и создает хо­лодильный эффект в ис­парителе (7). В (7) можно подводить и подземную воду III контура.

Нагретый, например до 65 теплоноситель поступает в бак-аккум­уля­тор (1) и на­со­сом (2), подающим трубопроводом (3) подается к жилысм зданиям ми­­к­рорайона.

Поскольку температура воды или рассола в НСК близка температуре ок­ру­жающей среды, то намного сокра­щаются теп­ловые потери от поверхностей НСК, что и приводит к повышению энер­ге­тической эф­фективности ССТ. Кроме того намного сокращается поверхность НСК, повыша­ет­ся их надежность. Со­кра­щаются теп­ловые потери от тепло­про­водов при тран­с­портировке низкотем­пе­ра­турного теплоносителя, однако повышается поверх­ность отопительных приборов при естественной циркуляции воздуха, ус­та­­нов­­лен­ных в помещениях здании. Во избежание этого, следует применить фан­койлы, ко­торые можно использовать так­же и при хладоснабжении зданий мик­ро­района.

Расчет основ­ного оборудования ССТ с ССК производится следующим образом. Основной является поверхность ССК, которая может быть определена различными методами. Нами выбран метод, изложенный в /3/, а в качестве тепло­вой нагрузки принят - нагрузка ГВС здании или микрорайона:

, (1)

где - суммарная радиация местности, - эффективность ССК.

Значения солнечной радиации местности определены в зависимости от месячных суммарных радиаций местности и продолжительности солнеч­но­го сияния . Актинометрические и метеорологические данные мест­нос­ти, на­при­мер для условий г. Еревана, представлены в таблице 1.

 

таблица 1

Актинометрические и метеорологические данные для условий г. Еревана

 

месяцы данные местности	апрель	май	июнь	июль	август	сент.	октябрь
Суммарная сол­неч. рад., , МДж/м2.мес.	479,23	641,3	847,95	867,85	726,37	601,77	412,81
Среднемес. тем­п. нар. возд., , оС	13,5	17,3	21,1	26,6	24,9	19,8	12,9
Продолжи­тельность солнеч. сия­ния, , ч/мес.	202,8	232,1	300,0	366,4	321,1	297,3	233,4
Суммарная солнеч­ная радиация, , Вт/м2	656,4	767,5	785,1	657,9	628,4	562,3	492,5

Эффективность ССК зависит от средней температуры жидкости в ССК и среднемесячной температуры наружного воздуха , а также от сум­марной ра­ди­ации определяемой специональной номограммой /3/. Ап­­роксимация ли­­нии эф­фективности, например, для одностеклянных ССК с несе­лективным погла­ща­ющим покрытием, показывает, что эффективность ССК можно выразить следу­ю­щим линейным уравнением:

, (2)

При применении других типов ССК формула (2) может быть заменена.

Если задана тепловая нагрузка ГВС зданий или микрорайона , тем­пера­тура го­рячей и холодной воды, например (), то поль­зуясь фо­р­му­лой (2), а затем и (1), определяем значения искомых величин: и по мес­яцам сезона. Резуль­та­ты расчетов представлены в виде соот­ветству­ю­щих номограмм (см. рис.2 а и б). Из него следует, что при снижении суммарной ра­диации и повышении среднемесячной температуре наружного воздуха (см.табл.1), эффек­тивность ССК повышается и достигает максимума за июле месяце. В пе­риод с апреля по август поверхность ССК () измен­яется незначительно, но в период с сентября по октябрь, при резком уменьшении и , поверхность ССК ­() увеличивается более чем в 2 раза.

Рис.2.а. Характер изменения эффек­тивности _{и б. поверхности} НСК (для ССТ с НСК+TН) и ССК с неселективным пог­ла­ща­ющим покры­тием при

 

В целом, среднесезонная эффек­тивность ­ССК с неселективным пог­ла­ща­ющим покры­тиемсоставляет примерно 0.48, а требуемая поверхность на одного жителя г. Еревана, составляет 2 м²/чел.

Соответствующие параметры ССТ с НСК+ТН можно определить следу­ю­щим об­разом.

Наибольшая эффективность для НСК составляет 0,7-0,74. Поскольку при ССТ с НСК+ТН можно использовать НСК, которые могут иметь наибольшую эффективность по сравнению с ССК, поэтому можно принимать эффективность такого НСК порядка-=0.7. Приняв значение в зависимости от среднемес­ячной температуры наруж­ного воздуха и сум­марной солнеч­ной радиации аналитическое выражение для определения при­мет следу­ющий вид:

(3)

Температура испарения хладагента в испарителе ТН (T_o), при 5^oC пере­паде температур между (T₀) и средней тем­пературой жидкости

Исходя из температуры горячей воды- 65и 5перепаде температур не­до­реку­пе­рации в конденсаторе, температура конденсации хладагента в ТН сос­тавит 70. Имея температуры и давления испарения и конденсации хладагента, можно построить тер­мо­динамические циклы работы ТН на диаграмме хлад­агента по месяцам сезона, а на их основе определить параметры хладагента в узловых точках цикла. Затем можно определить удельные тепло- и хладо­про­изво­дительность, работу, затрачиваемую на при­вод компрессора ТН. Приняв КПД па­ро­компресионного ТН порядка 0.75-0.8 и имея значения тепловой нагрузки ГВС зданий или микрорайона, определяем тепловую нагрузку испарителя ТН, и тем самым, на НСК, а также потребляемую электроэнергию на привод компрессора ТН и насоса для циркуляции рассола между испарителем ТН и НСК.

На основе вышеизложенного метода проведены конкретные расчеты для микро­района г. Еревана с численностью 20 тыс. человек, нагрузка и продол­жительность ГВС – 7 МВт и 7 месяцев в году (с апреля по октябрь). Как было указано, поверхность ССК для покрытия нагрузки ГВС на одного жителя составила 2 м²/чел., а для данного микрорайона составит 40 тыс. м².

Для ССТ с НСК+ТН требуемая поверхность НСК (в течение указанного сезона представлена в виде графиков на рис. 2 б. Температура испа­рения хлад­аген­та () и средняя тем­пература жидкости в НСК

Рис. 3. Ход изменения среднемес­ячной температуры наруж­ного воздуха и температуры испарения хладагента в ТН (), средней тем­пературы жид­кости в НСК за сезон

 

Как следует из этих графиков, расчетная поверхность НСК при ССТ с НСК+ТН может составить 16.5 тыс.м² или же по срав­не­нию с ССТ с ССК сокращается в 2.42 раза. Температура испарения с апреля по август месяцы незна­­чи­тельно превосходит средне­месячную температуру наружного воздуха из-за высо­кой интенсивности солнечной ра­ди­а­ции, а затем в сентябре име­ем при­­мер­ное равенство, в октябре- ниже на 1. Этa темпе­ратура обуславливает эне­р­­гетическую эффективность ССТ с НСК+ТН. Чем вы­ше тем­пература испарения, при постоянной температуре конденсации, тем выше ко­эффи­ци­ент преобра­зова­ния ТН, ме­нь­­­ше расход электроэнергии на привод ком­­прессора ТН и рассольного или водяного на­соса.

При разнице среднемесячных температур за апрель и октябрь месяцы 0,5, ме­с­яч­­ный расход электроэнергии за апрель составляет 330.6, за октябрь- 412.8 МВт.ч или же на 20% больше. Сезоный расход электроэнергии составляет 1721 МВт.ч/сезон, а топ­лив­ный эквивалент, при удельном расходе топлива на ТЭС - т.у.т./МВт.ч, сос­тав­ляет 602 т/сез.

_{Как было указано, упомянутые ССТ следует сравнить по технико-эко­номическим показателям с тра­ди­ци­он­ными источниками тепла - с котлами.}

_{Производя подбор оборудования сравниваемых ССТ, следует опре­де­лить при­ве­ден­ные затраты за се­зон по удельным капвложениям на срав­ниваемые системы и стои­мост­и условного топлива. Необходимо учесть и экологический ущерб из-за приме­не­ния той или иной СТС с различными источ­ни­ками тепла.}

_{Аналитические выражении для определения приведенных затрат на ССТ с ССК, НСК+ТН, СТС с РК имеют следующий вид:}

, (5)

(7)

При ССТ с ССК капвложения на ССК, если требуемая поверхность и удель­ное капвложение составляют 40 тыс.м² и 120-180 ам.дол./м² (для средне­темпе­ратурного СК с меньшей толúщиной теплоизоляции), в которой учтены капвло­же­ния как на ССК, так и на бак-аккумулятор, насосы, землю, отводимую под ССК и т.д., сос­тавят млн. ам. дол., а годовые доли капвложения на ССК, при нор­ма­­тив­ном коэффициенте ам. дол. Сумма на ре­новацию основного оборудования составит 80,64 тыс. ам. дол при коэффициенте реновации МВт.ч., что равно­ценно расходу топлива на ТЭС - у.т. При стоимости топлива в Республике Армении- 215 ам. дол. за т у.т., эксплуатационные затраты составят 1290 ам. дол. Эколо­гическим ущербом от вредных выбросов котлов ТЭС из-за малого потребления электро­энер­гии можно пренебречь.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при численности 2 чел. и 1.5 сменной работе составят: ам. дол. Итого, для ССТ с ССК, приведенные или годовые расходы составят: ам. дол.

Приведенные затраты на ССТ с НСК+ТН состоят из годовых долей кап­вло­жений на НСК и ТН, эксплуатационных затрат на электроэнергию и зарплату персо­нала. В этом варианте, когда м², годовые доли капвло­жений на НСК, при удельной стоимости 120 ам. дол./м², сос­тавят 99000 ам.дол./сез., а реновационные расходы- 22176 ам. дол. Капвложения на ТН, при удельной стоймости 200-500 ам.дол/кВт (для крупных и малых ТН), составляют тыс.ам.дол. Годовые доли капвло­же­ний на ТН при нор­­ма­тивном коэффициенте , составят 112 тыс. ам. дол., а сумма на рено­вацию ТН, при , составит 87780 ам. дол.

_{Эксплуатационные затраты на топливо для выработки электроэнергии на ТЭС, потребляемое ССТ с НСК+ТН, при удельной стоимости 215 ам.дол. за т у.т. сос­тавит 129430 ам. дол./сез.}

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при чис­ленности 3 чел. и 1.5 сменной работе составят: ам. дол./сез.

Экологический ущерб от вредных выбросов котлов ТЭС, обеспечи­ваю­щих электроснабжение ТН и насоса составит: ам. дол./сез. при выбросах двуо­киси серы и азота соответственно 25.4 и 5.4 т/сез., рассчитанных согласно /4/.

Приведенные затраты на ССТ с НСК+ТН составят =454706 ам. дол.за год.

Вариант СТС с РК имеет следующие техникоэкономические показа­те­ли. Удельные капвложения на РК, включая стоимость здания, насоса, ус­тановок хим­водоочистки и т.п., в зависимости от теплопрои­зводи­тель­ности, могут сос­тавить с 100 до 150 ам. дол./кВт, исходя из чего: годовые доли капвложений на РК при норма­тивном коэффициенте ам.дол., а сумма на рено­вацию РК, при

При тепловой нагрузке сез., сезонный расход топлива на СТС с РК определяется как сумма расхо­дов топлива в РК и на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды привода на­соса, обеспечивающие циркуляцию воды между РК и скоростным водона­гре­­вателем. Расхо­д топлива в РК, при КПД т.у.т./сез., а на ТЭС- 31,5 т.у.т./сез., итого-1617,6 т.у.т./сез., что сос­та­вит 354556 ам. дол.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при чис­лен­ности 3 чел. и 1.5 сменной работе составят: ам. дол./сез.

Экологический ущерб от вредных выбросов районного котла и котлов ТЭС, обеспечи­ваю­щих теплоэлектроснабжение СТС района составят: ам.дол./сез.

Приве­денные затраты на ССТ с РК составят: ам. дол.

Из полученных результатов следует, что сравниваемые варианты ССТ по­­чти равноценны (ССТ с НСК+ТН по приведенным затратам превосходит ССТ с ССК на 2,4%). Однако каждая из систем имеет свои положительные и отри­ца­тельные стороны как с экономической, так и технической стороны, которые могут нарушить эту равноценность. В частности, удорожание топлива, уменьшение ра­ди­уса дей­ст­вия и тем самым тепловой нагрузки ССТ, приведут к удорожанию ССТ с НСК+ТН. В ре­гионах, где интенсивность солнечного сияния и температура нар­у­жного воздуха в указанные месяцы ниже, а также высоки цены на земельные учас­т­ки в черте го­рода и т.п., энергоэкономические показатели ССТ с ССК снижаются.

СТС с РК на 17% превосходит другие системы и основная статья ра­с­хода - расход на органическое топливо, ко­то­рая имеет тенденцию удо­ро­жания не менее чем на 50% за год. Это означает, что СТС с РК не может кон­курировать с дру­гими системами. По­сколь­ку стоимость основного обору­до­ва­ния сравниваемых систем может дорожать не­боль­ши­ми темпами, чем топливо, то следует произ­вести анализ систем по удельным расходам топлива, поскольку для стран, ори­ентированных на привозное топлива, кроме эко­но­ми­чес­ких показа­те­лей, наиболь­ший интерес представляет вопрос топливо- или энерго­сбе­ре­жения.

Удельный расход топлива для ССТ с ССК обусловлен расходом топлива на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды насоса воды, а для ССТ с НСК+ТН и на привод компрессора. Это означает, что удельный расход топлива для ССТ определится формулами:

(7)

где

Среднесезонное удельное потребление топлива для СТС с РК скла­дывается из рас­хо­дов в РК с целью получения тепла на нужды ГВС и на ТЭС для выработки электро­энергии на нужды насосов РК, химводочиски и т.п.:

, (8)

На основе формул (7) и (8), проведены соответствующие расчеты для определения среднесезонных удельных потреблений топлива для ССТ с ССК и НСК+ТН, а также для СТС с РК, результаты которых представлены в виде гра­фи­ков на рис. 3.

Среднесезонное удельное потребление топлива для ССТ с ССК сос­та­вляет порядка 0.4 г.у.т./кВт.ч. теплоты.

Для ССТ с НСК+ТН удель­ное по­тре­бление топлива (см. кривое 1 на рис 3) из­мея­ется с из­ме­не­нием сред­не­мес­ячной температурой на­руж­ного воздуха или температурой испа­­рения хлад­агента, а среднесезонное удельное потребление топлива пре­д­став­ле­на линей 2. Как видно из рис.4, среднесезонное удельное потребление топлива для ССТ с НСК+ТН составляет 0.053 кг/кВт.ч теплоты, что намного больше, чем при ССТ с ССК. Это означает, что для условий Еревана ССТ с ССК по топливо- и энер­госбе­режению превосходит ССТ с НСК+ТН.

Рис. 4. Номограмма определения месячных и среднесезонных удельных потреблений топлива на нужды ССТ с ССК и НСК+ТН, СТС с РК для ГВС мик­ро­района г.Еревана

 

На рис 4, линями 4-6 представлены среднесезонные удельные пот­реб­ления топлива для СТС с РК при КПД РК соответственно 0.85 (районное котельное), 0.75 (местное ко­тель­ное на газе), 0.7 (местное котельное на мазуте). Как и следовало ожидать, значения среднесезонных удельных потреблений топ­лива для СТС с РК намного превышает соот­ветствующие значения для ССТ с различными комбинациями, поскольку последние ис­пользуют солнечную энер­гию вместо органического топлива. Поскольку удешевление раз­­личных видов то­плива невозможно из-за истощения их запасов, то эти показатели могут быть ос­новными для стран, ориентированных на привозное топливо. Однако сле­дует учесть не только эко­но­мические, но и актинометрические и метеорологические пока­затели мест­нос­ти.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое нами ССТ с НСК+ТН по при­ве­ден­ным затратам по­­чти равноценны с ССТ с ССК из-за высокой цены ССК. Однако существуют другие варианты использования солнечной энергии, в част­ности, при помощи “сол­нечных прудов или бассейнов”, при которых капвложения намного ниже, чем при ССК. “Сол­нечные пруды или бассейны” одновременно слу­­жат аккумуляторами низ­копотенциального тепла, поскольку, при применении незамерзающей жидкос­ти, даже в зимние месяцы, их температура равна или ниже температуры окру­жа­ющей среды. Предварительные расчеты подтверждают это, однако это тема дру­гой статьи.

 

Основные выводы

1. Использованиие солнечной энергии в ССТ ССК и НСК+ТН по со­об­ражениям топлива- и энерго­сбережения намного эффективнее и эколо­гически бе­зо­паснее, чем сжи­гание топлива в РК,

2. При актинометрических и метеорологических условиях Ере­ва­на для ГВС микрорайона ССТ с ССК, НСК+ТН по приведенным затратам равно­ценны, од­нако по топливосбережению ССТ с НСК+ТН намного уступает ССТ с ССК,

3. ССТ с НСК+ТН может обеспечить ГВС микрорайона и в зимние меся­цы, а также осуществить хладоснабжение микрорайона или других пот­ре­бителей при ком­би­ни­ро­ван­ной выработке теплоты и холода, что на­много повысит энергоэкономические показатели ССТ с НСК+ТН,

4. Показатели ССТ с НСК+ТН и “сол­нечные пруды или бассейны” могут ока­за­т­ься намного выше, чем при других ССТ из-за низких капвложений в сис­тему, отсутствии теплового аккумулятора и возможности системы ра­бо­тать в зимние месяцы.

 

Литература

1. Петросян А.Л. Использование солнечной энергии и тепловых насосов для тепло­сна­бжения жилых зданий. Сб научн. трудов. Ереванского гос. университета архитектуры и строи­тель­ства. II том. -2003. стр. 122-124.

2. Бекман У, Клейн С., Даффи Дж. Расчет системы солнечного теплоснаб­же­ния. –М: Энергоиздат, 1982.- с.80.

3. Девочкин М.А. и др. Технико-экономические расчеты в энергетике на сов­ременном этапе. Известия ВУЗ-ов. Энергетика. Минск, 1987. N5. –с.3-7.

4. МТ 34-70-010-83. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых станции. Союзтехэнерго.–М., 1984.-с.19.