В СССР существовали несколько научных и инженерных школ солнечного теплоснабжения: Москва (ЭНИН, ИВТАН, МЭИ и др.), Киев (КиевЗНИИЭПИО, Киевский инженерно-строительный институт, Институт технической теплофизики и др.), Ташкент (Физико-технический институт АН УзССР, ТашЗНИИЭП), Ашхабад (Институт солнечной энергии АН ТССР), Тбилиси («Спецгелиотепломонтаж»). В 1990-е годы к этим работам подключились специалисты из Краснодара, оборонного комплекса (города Реутов Московской области и Ковров), Института морских технологий (Владивосток), «Ростовтеплоэлектропроекта». Оригинальную школу гелиоустановок создал в Улан-Уде Г.П. Касаткин.
Солнечное теплоснабжение является одной из наиболее развитых в мире технологий преобразования солнечной энергии для отопления, горячего водоснабжения и охлаждения. В 2016 году общая мощность систем солнечного теплоснабжения в мире составила 435,9 ГВт (622,7 млн м²). В России солнечное теплоснабжение пока не получило широкого практического использования, что связано прежде всего с относительно низкими тарифами на тепловую и электрическую энергию. В том же году в нашей стране, по экспертным данным, эксплуатировалось только около 25 тыс. м² гелиоустановок. На рис. 1 представлена фотография самой большой в России гелиоустановки в городе Нариманов Астраханской области площадью 4400 м².
С учётом мировых трендов развития возобновляемой энергетики, развитие солнечного теплоснабжения в России требует осмысления отечественного опыта. Интересно отметить, что вопросы практического использования солнечной энергии в СССР на государственном уровне обсуждались в 1949 году на Первом Всесоюзном совещании по гелиотехнике в Москве . Особое внимание было уделено активным и пассивным системам солнечного отопления зданий.
Проект активной системы был разработан и реализован в 1920 году физиком В. А. Михельсоном. В 1930-е годы системы пассивного солнечного отопления развивал один из инициаторов гелиотехники — инженер-архитектор Борис Константинович Бодашко (город Ленинград). В эти же годы д.т.н., профессор Борис Петрович Вейнберг (Ленинград) проводил исследования ресурсов солнечной энергии на территории СССР и разработку теоретических основ сооружения гелиоустановок.
В 1930-1932 годах К. Г. Трофимов (город Ташкент) разработал и испытал гелиовоздухонагреватель с температурой нагрева до 225 °C. Одним из лидеров развития солнечных коллекторов и гелиоустановок горячего водоснабжения (ГВС) был к.т.н. Борис Валентинович Петухов. В опубликованной им в 1949 году книге «Солнечные водонагреватели трубчатого типа» он обосновал целесообразность разработки и основные конструктивные решения плоских солнечных коллекторов (СК). На основании десятилетнего опыта (1938- 1949 годы) сооружения гелиоустановок для систем горячего водоснабжения он разработал методологию их проектирования, строительства и эксплуатации. Таким образом, уже в первой половине прошлого века в нашей стране были выполнены исследования по все видам систем солнечного теплоснабжения, в том числе по потенциалу и методикам расчёта солнечной радиации, жидкостным и воздушным солнечным коллекторам, гелиоустановкам для систем ГВС, активным и пассивным системам солнечного отопления.
По большинству направлений советские исследования и разработки в области солнечного теплоснабжения занимали лидирующие позиции в мире. Вместе с тем практического широкого применения оно в СССР не получило и развивалось в инициативном порядке. Так, к.т.н. Б. В. Петухов разработал и построил десятки гелиоустановок с СК собственной конструкции на погранзаставах СССР.
В 1980-е годы вслед за зарубежными разработками, инициированными так называемым «мировым энергетическим кризисом», отечественные разработки в области солнечной энергетики значительно активизировались. Инициатором новых разработок стал Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского в Москве (ЭНИН), накопивший опыт в этой области с 1949 года.
Председатель Государственного комитета по науке и технике академик В. А. Кириллин посетил ряд европейских научных центров, начавших широкие исследования и разработки в области возобновляемой энергетики, и в 1975 году в соответствии с его поручением к работам в этом направлении был подключён Институт высоких температур Академии наук СССР в Москве (ныне Объединённый институт высоких температур, ОИВТ РАН).
Исследованиями в области солнечного теплоснабжения в 1980-е годы в РСФСР стали заниматься также Московский энергетический институт (МЭИ), Московский инженерно-строительный институт (МИСИ) и Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС, город Москва).
Разработки экспериментальных проектов гелиоустановок большой мощности выполнял Центральный научно-исследовательский и проектный институт экспериментального проектирования (ЦНИИ ЭПИО, город Москва).
Вторым по значимости научным и инженерным центром развития солнечного теплоснабжения был Киев (Украина). Головной организацией в Советском Союзе по проектированию гелиоустановок для жилищно-коммунального хозяйства Госгражданстроем СССР был определён Киевский зональный научно-исследовательский и проектный институт (КиевЗНИИЭП). Исследования в этом направлении выполняли Киевский инженерностроительный институт, Институт технической теплофизики Академии наук Украины, Институт проблем материаловедения АН УССР и Киевский институт электродинамики.
Третьим центром в СССР был город Ташкент, где исследованием занимались Физико-технический институт Академии наук Узбекской ССР и Каршинский госпединститут. Разработку проектов гелиоустановок выполнял Ташкентский зональный научно-исследовательский и проектный институт ТашЗНИИЭП. В советское время солнечным теплоснабжением занимался Институт солнечной энергии Академии наук Туркменской ССР в городе Ашхабаде. В Грузии исследования солнечных коллекторов и гелиоустановок проводили объединение «Спецгелиотепломонтаж» (город Тбилиси) и Грузинский НИИ энергетики и гидротехнических сооружений.
В 1990-е годы в Российской Федерации к исследованиям и проектированию гелиоустановок подключились специалисты из города Краснодара, оборонного комплекса (АО «ВПК «НПО «Машиностроения», Ковровский механический завод), Института морских технологий (город Владивосток), «Ростовтеплоэлектропроекта», а также Сочинского института курортологии. Краткий обзор научных концепций и инженерных разработок представлен в работе .
В СССР головной научной организацией по солнечному теплоснабжению являлся Энергетический институт (ЭНИН*, Москва) (прим. автора: Деятельность ЭНИНа в области солнечного теплоснабжения с исчерпывающей полнотой описана д.т.н., профессором Борисом Владимировичем Тарнижевским (1930-2008) в статье «Солнечный круг» из сборника «ЭНИН. Воспоминания старейших сотрудников» (2000 год) . ), который организовал в 1930 году и возглавлял до 1950-х годов лидер советской энергетики, личный друг В. И. Ленина — Глеб Максимилианович Кржижановский (1872-1959).
В ЭНИН по инициативе Г. М. Кржижановского в 1940-е годы была создана лаборатория гелиотехники, которой руководил вначале д.т.н., профессор Ф. Ф. Молеро, а затем долгие годы (до 1964 года) д.т.н., профессор Валентин Алексеевич Баум (1904-1985), совмещавший обязанности заведующего лабораторией с работой заместителя директора ЭНИН.
В. А. Баум моментально схватывал суть дела и давал важные для аспирантов советы по продолжению или завершению работы. Его ученики с благодарностью вспоминали семинары лаборатории. Они проходили очень интересно и на действительно хорошем уровне. В. А. Баум был весьма широко эрудированным учёным, человеком высокой культуры, большой чуткости и такта. Все эти качества он сохранил до глубокой старости, пользуясь любовью и уважением своих учеников. Высокий профессионализм, научный подход и порядочность отличала этого незаурядного человека. Под его руководством были подготовлены более 100 кандидатских и докторских диссертаций.
С 1956 года Б. В. Тарнижевский (1930- 2008) — аспирант В. А. Баума и достойный продолжатель его идей. Высокий профессионализм, научный подход и порядочность отличала этого незаурядного человека. В числе десятков его учеников и автор этой статьи. В ЭНИНе Б. В. Тарнижевский проработал до последних дней жизни 39 лет. В 1962 году он переходил на работу во ВНИИ источников тока, расположенный в Москве, а затем через 13 лет снова возвратился в ЭНИН.
В 1964 году после избрания В. А. Баума действительным членом Академии наук Туркменской ССР он уехал в Ашхабад, где возглавил Физико-технический институт. Его преемником на должности заведующего лабораторией гелиотехники стал Юрий Николаевич Малевский (1932-1980). Он в 1970-е годы выдвинул идею создания в Советском Союзе экспериментальной солнечной электростанции мощностью 5 МВт башенного типа с термодинамическим циклом преобразования (СЭС-5, располагалась в Крыму) и возглавил масштабную команду из 15 организаций по её разработке и строительству.
Другая идея Ю. Н. Малевского состояла в создании на южном берегу Крыма комплексной экспериментальной базы по солнечному теплои холодоснабжению, которая одновременно являлась бы достаточно крупным демонстрационным объектом и центром исследований по данному направлению. Для решения этой задачи Б. В. Тарнижевский возвращается в 1976 году в ЭНИН. В это время лаборатория гелиотехники имела 70 человек. В 1980 году после смерти Ю. Н. Малевского лаборатория гелиотехники была разделена на лабораторию солнечных электростанций (её возглавил сын В. А. Баума — д.т.н. Игорь Валентинович Баум, 1946 г.р.) и лабораторию солнечного теплоснабжения под руководством Б. В. Тарнижевского, которая занималась созданием Крымской базы теплои холодоснабжения. И. В. Баум до поступления на работу в ЭНИН заведовал лабораторией в НПО «Солнце» Академии наук Туркменской ССР (1973-1983) в Ашхабаде.
В ЭНИН И. В. Баум заведовал лабораторией СЭС. В период с 1983 по 1987 годы он много сделал для создания первой в СССР термодинамической солнечной электростанции. В 1980-е годы работы по использованию ВИЭ и, в первую очередь, солнечной энергии достигли в институте наибольшего разворота. В 1987 году было завершено строительство Крымской экспериментальной базы в районе Алушты. Для её эксплуатации на месте была создана специальная лаборатория.
В 1980-е годы лаборатория солнечного теплоснабжения участвовала в работах по внедрению в массовое промышленное производство солнечных коллекторов, созданию установок солнечного и горячего водоснабжения, в том числе крупных — с площадью СК более 1000 м² и других масштабных проектов.
Как вспоминал Б. В. Тарнижевский , в области солнечного теплоснабжения в 1980-е годы была незаменима деятельность Сергея Иосифовича Смирнова, который участвовал в создании первой в стране солнечно-топливной котельной для одной из гостиниц в Симферополе, ряда других солнечных установок, в разработке расчётных методик для проектирования установок солнечного теплоснабжения. С. И. Смирнов был весьма приметной и популярной в институте личностью.
Мощный интеллект в сочетании с добротой и некоторой импульсивностью характера создавал неповторимое обаяние этого человека. Вместе с ним в его группе работали Ю. Л. Мышко, Б. М. Левинский и другие сотрудники. Группой по разработке селективных покрытий, которую возглавляла Галина Александровна Гухман, была разработана технология химического нанесения селективных поглощающих покрытий на абсорберы солнечных коллекторов, а также технология нанесения термостойкого селективного покрытия на трубчатые приёмники концентрированного солнечного излучения.
В начале 1990-х годов лаборатория солнечного теплоснабжения осуществляла научное и организационное руководство проектом по солнечным коллекторам нового поколения, входившим в программу «Экологически безопасная энергетика». К 1993-1994 годам в результате проведённых научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских работ удалось создать конструкции и организовать производство солнечных коллекторов, не уступающих зарубежным аналогам по теплотехническим и эксплуатационным характеристикам.
Под руководством Б. В. Тарнижевского был разработан проект ГОСТ 28310-89 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия». Для оптимизации конструкций плоских солнечных коллекторов (ПСК) Борисом Владимировичем был предложен обобщённый критерий: частное от деления стоимости коллектора на количество тепловой энергии, выработанной им за расчётный срок службы .
В последние годы СССР под руководством д.т.н., профессора Б. В. Тарнижевского были разработаны конструкции и технологии восьми солнечных коллекторов: один с панельным абсорбером из нержавеющей стали, два с абсорберами из алюминиевых сплавов, три с абсорберами и прозрачной изоляцией из полимерных материалов, две конструкции воздушных коллекторов. Разрабатывались технологии выращивания листотрубного алюминиевого профиля из расплава, технология изготовления упрочнённого стекла, нанесение селективного покрытия.
Конструкция солнечного коллектора, разработанная ЭНИН, серийно выпускалась Братским заводом отопительного оборудования. Абсорбер — штампосварная стальная панель с селективным гальваническим покрытием «чёрный хром». Корпус штампованный (корыто) — стальной, стекло — оконное, уплотнение стекла — спецмастика (герлен). Ежегодно (по данным 1989 года) заводом производилось 42,3 тыс. м² коллекторов.
Б. В. Тарнижевским были разработаны методы расчёта активных и пассивных систем теплоснабжения зданий. На стенде ЭНИНа с 1990 по 2000 годы были испытаны 26 различных солнечных коллекторов, в том числе все, производимые в СССР и в России.
В 1975 году к работам в области возобновляемой энергетики подключился Институт высоких температур Академии наук (ИВТАН) под руководством членакорреспондента РАН, д.т.н., профессора Эвальда Эмильевича Шпильрайна (1926- 2009). Работа ИВТАНА по возобновляемой энергетике подробно описана д.т.н. О.С. Попелем в статье «ОИВТ РАН. Итоги и перспективы» из юбилейного сборника статей института в 2010 году . В сжатые сроки совместно с проектными организациями были разработаны и обоснованы концептуальные проекты «солнечных» домов для юга страны, развиты методы математического моделирования систем солнечного теплоснабжения, начато проектирование первого в России научного полигона «Солнце» на берегу Каспийского моря вблизи города Махачкала.
В ИВТ РАН была создана сначала научная группа, а затем лаборатория под руководством Олега Сергеевича Попеля, в которых совместно с сотрудниками Особого конструкторского бюро ИВТ РАН наряду с обеспечением координации и расчётно-теоретического обоснования разрабатываемых проектов были начаты исследования в области создания электрохимических оптических селективных покрытий солнечных коллекторов, разработки так называемых «солнечных прудов», систем солнечного теплоснабжения в комбинации с тепловыми насосами, солнечных сушильных установок, велись работы и в других направлениях.
Одним из первых практических результатов коллектива ИВТ РАН стало строительство «солнечного дома» в посёлке Мердзаван Эчмиадзинского района Армении. Этот дом стал первым экспериментальным энергоэффективным «солнечным домом» в СССР, оснащённым необходимым экспериментальным диагностическим оборудованием, на котором главным конструктором проекта М. С. Калашяном из Института «Армгипросельхоз» с участием сотрудников ИВТ РАН был проведён шестилетний цикл круглогодичных экспериментальных исследований, показавших возможность практически 100 %-го обеспечения дома горячей водой и покрытия нагрузки отопления на уровне более 50 %.
Другим важным практическим результатом стало внедрение на Братском заводе отопительного оборудования разработанной в ИВТ РАН М. Д. Фридбергом (совместно со специалистами Московского вечернего металлургического института) технологии нанесения электрохимических селективных покрытий «чёрный хром» на стальные панели плоских солнечных коллекторов, производство которых было освоено на этом заводе.
В середине 1980-х годов в Дагестане был введён в эксплуатацию полигон ИВТ РАН «Солнце». Расположенный на площади около 12 га полигон включал в себя, наряду с лабораторными корпусами, группу «солнечных домов» различных типов, оснащённых солнечными коллекторами и тепловыми насосами. На полигоне состоялся запуск одного из наиболее крупных в мире (на тот момент) имитаторов солнечного излучения. Источником излучения служила мощная ксеноновая лампа мощностью 70 кВт, оснащённая специальными оптическими фильтрами, позволяющими регулировать спектр излучения от заатмосферного (АМ0) до наземного (АМ1,5). Создание имитатора обеспечило возможность проведения ускоренных испытаний стойкости различных материалов и красок к воздействию солнечного излучения, а также испытаний крупноразмерных солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей.
К сожалению, в 1990-е годы в связи с резким сокращением бюджетного финансирования исследований и разработок большинство начатых ИВТ РАН проектов в Российской Федерации пришлось заморозить. Для сохранения направления работ в области возобновляемой энергетики исследования и разработки лаборатории были переориентированы на научное сотрудничество с ведущими зарубежными центрами. Выполнялись проекты по программам INTAS и TASIS, Европейской рамочной программы в области энергосбережения, тепловых насосов и солнечных адсорбционных холодильных установок, что, с другой стороны, позволило развить научные компетенции в смежных областях науки и техники, освоить и использовать в различных энергетических приложениях современные методы динамического моделирования энергоустановок (к.т.н. С. Е. Фрид).
По инициативе и под руководством О. С. Попеля совместно с МГУ (к.ф.-м.н. С. В. Киселёва) был разработан «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации», создана Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России» (gisre.ru). Совместно с институтом «Ростовтеплоэлектропроект» (к.т.н. А. А. Чернявский) разработаны, построены и испытаны гелиоустановки с солнечными коллекторами Ковровского механического завода для систем отопления и ГВС объектов специальной астрофизической обсерватории РАН в Карачаево-Черкессии. В ОИВТ РАН создан единственный в России специализированный теплогидравлический стенд для натурных тепловых испытаний солнечных коллекторов и гелиоустановок в соответствии с российскими и зарубежными стандартами, разработаны рекомендации для применения гелиоустановок в различных регионах РФ. Подробнее с некоторыми результатами исследований и разработок ОИВТ РАН в области ВИЭ можно ознакомиться в книге О. С. Попеля и В. Е. Фортова «Возобновляемая энергетика в современном мире» .
В Московском энергетическом институте (МЭИ) вопросами солнечного теплоснабжения занимались д.т.н. В. И. Виссарионов, д.т.н. Б. И. Казанджан и к.т.н. М. И. Валов.
В. И. Виссарионов (1939-2014) заведовал кафедрой «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии (в 1988-2004 годах). Под его руководством проводились работы по расчёту ресурсов солнечной энергии, развитию солнечного теплоснабжения. М. И. Валовым совместно с сотрудниками МЭИ в 1983-1987 годах были опубликованы ряд статей по исследованию гелиоустановок. Одной из самых содержательных книг является работа М. И. Валова и Б. И. Казанджана «Системы солнечного теплоснабжения» , в которой исследовались вопросы низкопотенциальных солнечных установок (принципиальные схемы, климатические данные, характеристики СК, конструкции плоских СК), расчёт энергетических характеристик, экономическая эффективность использования систем солнечного теплоснабжения. Д.т.н. Б. И. Казанджаном разработана конструкция и освоено производство плоского солнечного коллектора «Альтэн». Особенностью этого коллектора является то, что абсорбер выполнен из алюминиевого плавникового профиля, внутри которого запрессована медная трубка, а в качестве прозрачной изоляции применён сотовый поликарбонат.
Сотрудником Московского инженерностроительного института (МИСИ) к.т.н. С. Г. Булкиным были разработаны термонейтральные солнечные коллекторы (абсорберы без прозрачной изоляции и теплоизоляции корпуса). Особенностью работы являлась подача в них теплоносителя на 3-5 °C ниже температуры окружающего воздуха и возможность использования скрытой теплоты конденсации влаги и инееобразования атмосферного воздуха (гелиоабсорбционные панели). Теплоноситель нагретый в этих панелях догревался тепловым насосом («воздух-вода»). В МИСИ был сооружён испытательный стенд с термонейтральными солнечными коллекторами и несколько гелиоустановок в Молдавии.
Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС) разработал и выпускал СК со штампосварным алюминиевым абсорбером, заливной пенополиуретановой теплоизоляцией корпуса. С 1991 года производство СК было передано на Бакинский завод по обработке сплавов цветных металлов. В ВИЛС в 1981 году были разработаны Методические указания по проектированию энергоактивных зданий. В них впервые в СССР абсорбер был интегрирован в конструкцию здания, что улучшало экономику использования солнечной энергии. Лидерами этого направления были к.т.н. Н. П. Селиванов и к.т.н. В. Н. Смирнов.
Центральным научно-исследовательским институтом инженерного оборудования (ЦНИИ ЭПИО) в Москве был разработан проект, по которому в Ашхабаде построена солнечно-топливная котельная мощностью 3,7 МВт, разработан проект солнечно-теплонасосной установки гостиницы «Приветливый берег» в городе Геленджике с площадью СК 690 м². В качестве тепловых насосов применены три холодильных машины МКТ 220-2-0, работающие в режиме тепловых насосов с использованием тепла морской воды .
Ведущей организацией СССР по проектированию гелиоустановок являлся институт КиевЗНИИЭП, в котором разработано 20 типовых и повторно применяемых проектов: отдельно стоящей установки солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией для индивидуального жилого дома; унифицированной установки солнечного горячего водоснабжения общественных зданий производительностью 5, 7, 15, 25, 30, 70 м³/сут.; узлов, деталей и оборудования жилых и общественных зданий массового строительства; установки солнечного горячего водоснабжения сезонного действия производительностью 2,5; 10; 30; 40; 50 м³/сут.; технические решения и методические рекомендации по переоборудованию отопительных котельных в гелиотопливные установки.
Данным институтом были разработаны десятки экспериментальных проектов, в том числе системы солнечного горячего водоснабжения плавательных бассейнов, солнечно-теплонасосная установка горячего водоснабжения. По проекту КиевЗНИИЭП была построена самая большая в СССР гелиоустановка пансионата «Кастрополь» (село Береговое, ЮБК) в Крыму площадью 1600 м². На опытном заводе института КиевЗНИИЭП производились солнечные коллекторы, абсорберы которых выполнены из змеевиковых плавниковых алюминиевых труб собственного изготовления.
Теоретиками гелиотехники на Украине были д.т.н. Михаил Давидович Рабинович (1948 г.р.), к.т.н. Алексей Рувимович Ферт, к.т.н. Виктор Федорович Гершкович (1934-2013). Они являлись основными разработчиками Норм проектирования установок солнечного горячего водоснабжения и Рекомендаций по их проектированию . М. Д. Рабинович занимался исследованием солнечной радиации, гидравлическими характеристиками СК, гелиоустановок с естественной циркуляцией, солнечными системами теплоснабжения, солнечно-топливными котельными, гелиоустановками большой мощности, гелиотехническими системами . А. Р. Ферт разрабатывал конструкцию стенда-имитатора и проводил испытания СК, исследовал регулирование гидравлических гелиоустановок, повышение эффективности гелиоустановок. В Киевском инженерно-строительном институте многосторонними исследованиями гелиоустановок занимался к.т.н. Николай Васильевич Харченко. Он сформулировал системный подход к разработке гелиотеплонасосных систем теплоснабжения, предложил критерии оценки их энергетической эффективности, исследовал вопросы оптимизации гелиотопливной системы теплоснабжения, выполнил сравнение различных методов расчёта гелиосистем. Одна из его наиболее полных книг по малым (индивидуальным) солнечным гелиоустановкам отличается доступностью и информационностью. В Киевском Институте электродинамики над вопросами математического моделирования режимов работы гелиоустановок, СК, экспериментального исследования энергетических характеристик солнечных коллекторов работали к.т.н. А. Н. Стронский и к.т.н. А. В. Супрун. Над математическим моделированием гелиоустановок в Киеве работал также к.т.н. В. А. Никифоров.
Лидером научной инженерной школы гелиотехники Узбекистана (Ташкент) является д.т.н., профессор Раббанакул Рахманович Авезов (1942 г.р.). В 1966-1967 годах он работал в Ашхабадском Физико-техническом институте Туркменистана под руководством д.т.н., профессора В. А. Баума. Р. Р. Авезов развивает идеи учителя в Физико-техническом институте Узбекистана, который превратился в международный исследовательский центр.
Научные направления исследований Р. Р. Авезов сформулировал в докторской диссертации (1990 год, ЭНИН, Москва), а её результаты обобщены в монографии «Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения» . Он развивает в том числе методы эксергетического анализа плоских солнечных коллекторов, создания активных и пассивных систем солнечного отопления. Д.т.н. Р. Р. Авезов обеспечил большой авторитет и международное признание единственному в СССР и в странах СНГ специализированному журналу Applied Solar Energy («Гелиотехника»), который издаётся на английском языке. Его дочь Нилуфар Раббакумовна Авезова (1972 г.р.) — д.т.н., генеральный директор НПО «Физика-Солнца» АН Узбекистана.
Разработкой проектов гелиоустановок в Ташкентском зональном НИИ экспериментального проектирования жилых и общественных зданий (ТашЗНИИЭП) занимался к.т.н. Юсуф Каримович Рашидов (1954 г.р.). Институтом «ТашЗНИИЭП» были разработаны десять типовых проектов жилых домов, гелиодушевых, проект солнечно-топливной котельной, в том числе гелиоустановки производительностью 500 и 100 л/сут., гелиодушевые на две и четыре кабины. С 1984 по 1986 годы было реализовано 1200 типовых проектов гелиоустановок.
В Ташкентской области (посёлок Ильичевск) был построен двухквартирный солнечный дом с отоплением и горячим водоснабжением с гелиоустановкой площадью 56 м². В Каршинском госпединституте А.Т. Теймурханов, А.Б. Вардияшвили и др. занимались исследованиями плоских солнечных коллекторов.
Туркменскую научную школу солнечного теплоснабжения создал д.т.н. В. А. Баум, избранный в 1964 году академиком республики. В Ашхабадском физико-техническом институте он организовал отдел солнечной энергетики и до 1980 году руководил всем институтом. В 1979 году на базе отдела солнечной энергетики был создан Институт солнечной энергии Туркменистана, который возглавил ученик В. А. Баума — д.т.н. Реджеп Байрамович Байрамов (1933-2017). В пригороде Ашхабада (посёлок Бикрова) был построен научный полигон института в составе лабораторий, испытательных стендов, конструкторского бюро, мастерских с численностью работников 70 человек. В. А. Баум до конца жизни (1985) работал в данном институте. Р. Б. Байрамов совместно с д.т.н. Ушаковой Альдой Даниловной исследовал плоские солнечные коллекторы, солнечные системы отопления и солнечные опреснители . Примечательно, что в 2014 году в Ашхабаде был воссоздан Институт солнечной энергии Туркменистана — НПО «ГУН».
В проектно-производственном объединении «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) и Грузинском НИИ энергетики и гидротехнических сооружений под руководством д.т.н. Нугзара Варламовича Меладзе (1937 г.р.) были разработаны конструкции и освоен серийный выпуск солнечных коллекторов, индивидуальных гелиоустановок горячего водоснабжения, гелиоустановок и солнечно-теплонасосных систем. Были определены условия окупаемости сооружения гелиоустановок в различных регионах Грузии, на испытательном стенде в натурных условиях испытывались различные конструкции солнечных коллекторов .
Солнечные коллекторы «Спецгелиотепломонтажа» имели оптимальную для своего времени конструкцию: абсорбер штампосварной стальной с лакокрасочным покрытием, корпус — из алюминиевых профилей и оцинкованной стали, стекло оконное, теплоизоляция — из пенопласта и фольгорубероида.
По данным Н. В. Меладзе, только в регионе Кавказа к 1990 году было установлено 46,9 тыс. м² солнечных коллекторов, в том числе в санаториях и гостиницах — 42,7 %, на промышленных гелиоустановках — 39,2 %, сельскохозяйственных объектах — 13,8 %, спортивных объектах — 3,6 %, индивидуальных установках — 0,7 %.
По данным автора, в Краснодарском крае в 1988-1992 годах было установлено 4620 м² солнечных коллекторов «Спецгелиомонтажа» . Работа СГТМ осуществлялась в сотрудничестве с учёными из Грузинского НИИ энергетики и гидротехнических сооружений (ГруНИИЭГС).
Институтом «ТбилЗНИИЭП» были разработаны пять типовых проектов гелиоустановок (ГУ), а также проект солнечно-теплонасосной установки. СГТМ имела в своём составе лабораторию, в которой исследовались солнечные коллекторы, тепловые насосы. Были разработаны стальные, алюминиевые, пластиковые жидкостные абсорберы, воздушные СК со стеклом и без него, СК с концентраторами, различные конструкции термосифонных индивидуальных ГУ. По состоянию на первое января 1989 года «Спецгелиомонтажем» были построены 261 ГУ общей площадью 46 тыс. м² и 85 индивидуальных гелиоустановок для систем ГВС площадью 339 м².
На рис. 2 представлена гелиоустановка по улице Рашпилевской в Краснодаре, успешно работавшая 15 лет с коллекторами «Спецгелиотепломонтажа» (320 шт. общей площадью 260 м²).
Развитием солнечного теплоснабжения в СССР и в России со стороны властных структур занимался д.т.н. Павел Павлович Безруких (1936 г.р.). В 1986-1992 году он в должности главного специалиста Бюро Совета Министров СССР по топливноэнергетическому комплексу курировал серийное производство солнечных коллекторов на братском заводе отопительного оборудования, в Тбилиси в объединении «Спецгелиотепломонтаж» на Бакинском заводе по обработке цветных сплавов. По его инициативе и при непосредственном участии была разработана первая в СССР программа развития возобновляемой энергетики на 1987-1990 годы.
П. П. Безруких с 1990 году принимал самое активное участие в разработке и реализации раздела «Нетрадиционная энергетика» Государственной научно-технической программы «Экологически безопасная энергетика». Он отмечает главную роль научного руководителя программы д.т.н. Э. Э. Шпильрайна по привлечению к работе ведущих учёных и специалистов СССР по ВИЭ. С 1992 по 2004 годы П. П. Безруких, работая в Министерстве топлива и энергетики России и возглавляя отдел, а затем и управление научнотехнического прогресса, руководил организацией производства солнечных коллекторов на Ковровском механическом заводе, НПО «Машиностроение» (город Реутов, Московская область), комплексом научно-технических разработок по солнечному теплоснабжению, реализацией Концепции разработки и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики России. Участвовал в разработке первого российского стандарта ГОСТ Р 51595-2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия» и решении разногласий автора проекта ГОСТ Р д.т.н. Б. В. Тарнижевского и главного конструктора изготовителя коллекторов (Ковровского механического завода) А. А. Лычагина.
В 2004-2013 годах в Институте энергетической стратегии (Москва), а затем в должности заведующего отделения энергосбережения и возобновляемых источников ЭНИНа П. П. Безруких продолжает разработки, в том числе по солнечному теплоснабжению.
В Краснодарском крае работы по проектированию и строительству гелиоустановок начаты инженером-теплоэнергетиком В. А. Бутузовым (1949 г.р.) возглавившим перспективное развитие теплоснабжения производственного объединения «Кубаньтеплокоммунэнерго». С 1980 по 1986 годы были разработаны проекты и построены шесть солнечно-топливных котельных общей площадью 1532 м². За эти годы были налажены конструктивные отношения с изготовителями СК: Братским заводом, «Спецгелиотепломонтажом», КиевЗНИИЭПом. В связи с отсутствием в 1986 году в советских климатологических справочниках данных по солнечной радиации, с 1977 по 1986 годы с метеостанций Краснодара и Геленджика были получены достоверные результаты для проектирования гелиоустановок.
После защиты кандидатской диссертации в 1990 году, работы по развитию гелиотехники были продолжены организованной В. А. Бутузовым Краснодарской лабораторией энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства (Москва). Были разработаны и усовершенствованы несколько конструкций плоских СК, стенд для их натурных испытаний. В результате обобщения опыта проектирования и строительства гелиоустановок был разработаны «Общие требования к проектированию гелиоустановок и ЦТП в коммунально-бытовом хозяйстве».
На основании анализа результатов обработки значений суммарной солнечной радиации для условий Краснодара за 14 лет, а Геленджика — за 15 лет в 2004 году предложен новый способ предоставления месячных значений суммарной солнечной радиации с определением их максимальных и минимальных величин, вероятности их наблюдения. Определены расчётные месячные и годовые значения суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации для 54 городов и административных центров Краснодарского края. Установлено, что для объективного сопоставления СК различных производителей помимо сравнения их стоимостей и энергетических характеристик, полученных по стандартной методике на сертифицированных испытательных стендах, необходимо учитывать затраты энергии на их изготовление и эксплуатацию. Оптимальная стоимость конструкции СК определяется в общем случае соотношением стоимости выработанной тепловой энергии и затратами на изготовление, эксплуатацию за расчётный срок службы. Совместно с Ковровским механическим заводом разработана и серийно выпускалась конструкция СК, имевшая оптимальные для российского рынка соотношение стоимости и энергетических затрат. Разработаны проекты и осуществлено строительство типовых гелиоустановок горячего водоснабжения суточной производительностью от 200 л до 10 м³. С 1994 года работы по гелиоустановкам были продолжены в АО «Южно-Русская энергетическая компания». С 1987 по 2003 годы выполнена разработка и строительство 42 гелиоустановок, а также завершено проектирование 20 гелиоустановок . Результаты работы В.А. Бутузова были обобщены в докторской диссертации, защищённой в ЭНИН (Москва).
С 2006 по 2010 годы ООО «Теплопроектстрой» разрабатывал и строил гелиоустановки котельных малой мощности, при установке в которых СК в летнее время сокращается эксплуатационный персонал, что снижает срок окупаемости гелиоустановок. В эти годы разрабатывались и строились самодренируемые гелиоустановки, при остановке насосов в которых вода сливается из СК в баки, предотвращая перегрев теплоносителя. В 2011 году создана конструкция, изготовлены опытные экземпляры плоских СК, разработан испытательный стенд для организации производства СК в Ульяновске. С 2009 по 2013 год в АО «Южгеотепло» (Краснодар) разработало проект и построило самую большую гелиоустановку в Краснодарском крае площадью 600 м² в городе Усть-Лабинск (рис. 3). При этом были выполнены исследования по оптимизации компоновки СК с учётом затенения, автоматизации работы, схемные решения. Разработана и построена геотермальная солнечная система теплоснабжения площадью 144 м² в посёлке Розовом Краснодарского края. В 2014 году разработана методика оценки экономической окупаемости гелиоустановок в зависимости от интенсивности солнечной радиации, КПД гелиоустановки, удельной стоимости замещаемой тепловой энергии .
Многолетнее творческое сотрудничество В. А. Бутузова с д.т.н., профессором Кубанского государственного аграрного университета Робертом Александровичем Амерхановым (1948 г.р.) реализовано в разработке теоретических основ создания гелиоустановок большой мощности и комбинированных геотермально-солнечных систем теплоснабжения . Под его руководством подготовлены десятки кандидатов технических наук, в том числе в области солнечного теплоснабжения. В многочисленных монографиях Р. А. Амерханова рассмотрены вопросы проектирования гелиоустановок сельскохозяйственного назначения.
Опытнейшим специалистом по проектированию гелиоустановок является главный инженер проектов института «Ростовтеплоэлектропроект» к.т.н. Адольф Александрович Чернявский (1936 г.р.). Этим направлением он в инициативном порядке занимался более 30 лет. Им разработаны десятки проектов, многие из которых реализованы в России и других странах. Уникальные системы солнечного отопления и ГВС описаны в разделе института ОИВТ РАН . Проекты А. А. Чернявского отличаются проработкой всех разделов, включая детальное экономическое обоснование. На основе солнечных коллекторов Ковровского механического завода разработаны «Рекомендации по проектированию солнечных станций теплоснабжения».
Под руководством А. А. Чернявского созданы уникальные проекты фотоэлектрических станций c тепловыми коллекторами в городе Кисловодске (6,2 МВт электрических, 7 МВт тепловых), а также станция в Калмыкии общей установленной мощностью 150 МВт. Выполнены уникальные проекты термодинамических солнечных электростанций установленной электрической мощностью 30 МВт в Узбекистане, 5 МВт — в Ростовской области; реализованы проекты гелиоустановок пансионатов на побережье Чёрного моря площадью 40-50 м² для систем солнечного отопления и ГВС объектов специальной астрофизической обсерватории в Карачаево-Черкесии. Для института «Ростовтеплоэлектропроект» характерен масштаб разработок — солнечные станции теплоснабжения жилых посёлков, городов. Основные результаты разработок этого института, проводимые совместно с ОИВТ РАН, опубликованы в книге «Автономные системы энергоснабжения» .
Развитием гелиоустановок в Сочинском государственном университете (Институт курортного дела и туризма) руководил д.т.н., профессор Садилов Павел Васильевич, заведующий кафедрой инженерной экологии. Инициатор возобновляемой энергетики, он разработал и построил несколько гелиоустановок, в том числе в 1997 году в посёлке Лазаревском (город Сочи) площадью 400 м², гелиоустановку Института курортологии , несколько теплонасосных установок.
В Институте морских технологий Дальневосточного отделения РАН (город Владивосток) заведующим лаборатории нетрадиционной энергетики к.т.н. Александром Васильевичем Волковым, трагически погибшим в 2014 году, были разработаны и построены десятки гелиоустановок общей площадью 2000 м², стенд для натурных сравнительных испытаний солнечных коллекторов, новые конструкции плоских СК, проверена эффективность вакуумных СК китайских производителей .
Выдающийся конструктор и человек Адольф Александрович Лычагин (1933- 2012) являлся автором нескольких типов уникальных зенитных управляемых ракет, в том числе «Стрела-10М». В 1980-е годы он в должности главного конструктора (в инициативном порядке) на военном Ковровском механическом заводе (КМЗ) разработал солнечные коллекторы, которые отличала высокая надёжность, оптимальное соотношение цены и энергетической эффективности. Он смог убедить руководство завода освоить серийное производство солнечных коллекторов, и создать заводскую лабораторию по испытанию СК. С 1991 по 2011 годы КМЗ произвёл около 3000 шт. солнечных коллекторов, каждая из трёх модификаций которых отличалась новыми эксплуатационными качествами. Руководствуясь «мощностной ценой» коллектора, при которой стоимости разных конструкций СК сравниваются при одинаковой солнечной радиации, А. А. Лычагин создал коллектор с абсорбером из латунной трубчатой решётки со стальными поглощающими рёбрами. Были разработаны и изготовлены воздушные солнечные коллекторы . Высочайшая инженерная квалификация и интуиция сочетались в Адольфе Александровиче с патриотизмом, стремлением развивать экологически безопасные технологии, принципиальностью, высоким художественным вкусом. Перенеся два инфаркта, он смог специально за тысячу километров приехать в Мадрид, чтобы в музее Прадо два дня изучать великолепные полотна.
АО «ВПК «НПО Машиностроения» (город Реутов, Московская область) занимается производством солнечных коллекторов с 1993 года. Разработка конструкций коллекторов и солнечных водонагревательных установок на предприятии выполняется конструкторским подразделением ЦКБ машиностроения. Руководитель проекта — к.т.н. Николай Владимирович Дударев. В первых конструкциях солнечных коллекторов корпуса и штампосварочные абсорберы изготавливались из нержавеющей стали. На основе коллектора 1,2 м² на предприятии были разработаны и изготавливались солнечные термосифонные водонагревательные установки с баками вместимостью 80 и 120 л. В 1994 году была разработана и внедрена в производство технология получения селективного поглощающего покрытия методом вакуумного электродугового напыления, в 1999 году дополнившаяся магнетронным способом вакуумного напыления. На основе этой технологии было начато производство солнечных коллекторов типа «Сокол». Абсорбер и корпус коллектора изготавливались из алюминиевых профилей. Сейчас НПО производит солнечные коллекторы «Сокол-Эффект» с листотрубными медными и алюминиевыми абсорберами. Единственный российский солнечный коллектор сертифицирован по европейским нормам институтом SPF из Рапперсвилла в Швейцарии (Institut für Solartechnik Hochschule für Technik Rappelswill).
Научно-производственное предприятие «Конкурент» (с 2000 года — «Радуга-Ц», город Жуковский, Московской область) с 1992 года выпускало солнечные коллекторы «Радуга». Главный конструктор — Вячеслав Алексеевич Шершнев.
Штампосварный абсорбер производился из листовой нержавеющей стали. Покрытие абсорбера — селективное PVD или чёрной матовой термостойкой краской. Годовая программа НПП до 4000 шт. Энергетические характеристики коллектора получены при испытании в ЭНИН. Производилась также термосифонная гелиоустановка «Радуга-2М» в составе двух СК по 1 м² и бака вместимостью 200 л. В баке были плоская греющая панель, в которую поступал теплоноситель от СК, а также дублирующий электронагреватель мощностью 1,6 кВт.
ООО «Новый Полюс» (Москва) — второй российский производитель, разработавший собственные конструкции и в настоящее время производящий плоские жидкостные, плоские воздушные, плоские воздушно-жидкостные, трубчатые вакуумные солнечные коллекторы, выполняет проекты и монтаж гелиоустановок. Генеральный директор — Алексей Викторович Скоробатюк.
Предлагаются четыре модели плоских жидкостных коллекторов типа «ЯSolar». Все жидкостные абсорберы данного производителя выполнены из медного листа с селективным Tinox-покрытием и медных трубок. Соединение трубок с листом паянное с обвальцовкой. ООО «Новый Полюс» предлагает также три типа вакуумных трубчатых СК собственного изготовления с медными абсорберами с U-образными трубками.
Выдающийся специалист, энергичный и высокоинтеллектуальный человек Геннадий Павлович Касаткин (1941 г.р.) — горный инженер и проектировщик с многолетним стажем — начал заниматься гелиотехникой в 1999 году в городе Улан-Уде (Бурятия). В организованном им Центре энергоэффективных технологий (ЦЭФТ) были разработаны несколько конструкций жидкостных и воздушных коллекторов, построено около 100 гелиоустановок различных типов общей площадью 4200 м². На основе выполненных им расчётов изготавливались опытные образцы, которые после испытаний в натурных условиях тиражировались на гелиоустановках Республики Бурятия.
Инженером Г. П. Касаткиным разработаны несколько новых технологий: сварки пластиковых абсорберов, изготовление корпусов коллекторов.
Единственный в России, он разработал и построил несколько воздушных гелиоустановок с коллекторами собственной конструкции. Хронологически его разработки солнечных коллекторов начались с 1990 года со сварных листотрубных стальных абсорберов. Затем появились варианты медных и пластиковых коллекторов со сварными и соединяемыми обжимом абсорберами и, наконец, современные конструкции с европейскими медными селективными листами и трубками. Г. П. Касаткин, развивая концепцию энергоактивных зданий, построил гелиоустановку, коллекторы которой интегрированы в кровлю здания. В последние годы инженер передал руководящие функции в ЦЭФТ своему сыну И. Г. Касаткину, успешно продолжающему традиции фирмы ООО «ЦЭФТ».
На рис. 4 представлена гелиоустановка гостиницы «Байкал» в городе Улан-Уде площадью 150 м².
Выводы
1. Расчётные данные солнечной радиации для проектирования гелиоустановок в СССР основывались на разнообразных методиках обработки массивов измерений метеостанций. В РФ эти методики дополнены материалами международных спутниковых компьютерных баз данных.
2. Ведущей школой по проектированию гелиоустановок в Советском союзе был институт КиевЗНИИЭП, которым были разработаны руководящие документы и десятки проектов. В настоящее время актуальные российские нормы и рекомендации отсутствуют. Проекты гелиоустановок на современном уровне выполняются в российском институте «Ростовтеплоэлектропроект» (к.т.н. А.А. Чернявский) и в компании ООО «ЭнерготехнологииСервис» (к.т.н. В.В. Бутузов, Краснодар).
3. Технико-экономическими исследованиями гелиоустановок в СССР занимались ЭНИН (Москва), КиевЗНИИЭП, ЦНИИЭПИО (Москва). В настоящее время эти работы ведутся в институте «Ростовтеплоэлектропроект» и в компании ООО «Энерготехнологии-Сервис».
4. Ведущей научной организацией СССР по исследованию солнечных коллекторов был Энергетический институт имени Г. М. Кржижановского (Москва). Лучшую для своего времени конструкцию коллекторов производил «Спецгелиотепомонтаж» (Тбилиси). Из российских производителей Ковровский механический завод выпускал солнечные коллекторы с оптимальным соотношением цены и энергоэффективности. Современные российские производители собирают коллекторы из зарубежных комплектующих.
5. В СССР проектирование, изготовление солнечных коллекторов, монтаж и наладку выполняла фирма «Спецгелиотепломонтаж». До 2010 года по такой схеме работала фирма ООО «ЦЭФТ» (Улан-Удэ).
6. Анализ отечественного и зарубежного опыта солнечного теплоснабжения показал несомненные перспективы его развития в России, а также необходимость государственной поддержки. В числе первоочередных мероприятий: создание российского аналога компьютерной базы данных солнечной радиации; разработка новых конструкций солнечных коллекторов с оптимальным соотношением цены и энергоэффективности, новых энергоэффективных проектных решений с адаптированием к российским условиям.
МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ГЛАВНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
УПРАВЛЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
РД 34.20.115-89
СЛУЖБА ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ПО «СОЮЗТЕХЭНЕРГО»
Москва 1990
РАЗРАБОТАНО Государственным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского
ИСПОЛНИТЕЛИ М.Н. ЕГАЙ, О.М. КОРШУНОВ, А.С. ЛЕОНОВИЧ, В.В. НУШТАЙКИН, В.К. РЫБАЛКО, Б.В. ТАРНИЖЕВСКИЙ, В.Г. БУЛЫЧЕВ
УТВЕРЖДЕНО Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации 07.12.89 г.
Начальник В.И. ГОРИЙ
Срок действия устанавливается
с 01.01.90
до 01.01.92
Настоящие Методические указания устанавливают порядок выполнения расчета и содержат рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.
Методические указания предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.
где f - доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии;
где F - площадь поверхности СК, м 2 .
где Н - среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт · ч/м 2 ; находится из приложения ;
а, b - параметры, определяемые из уравнения () и ()
где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r , тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле
где λ - удельные тепловые потери здания, Вт/(м 3 · °С);
m - количество часов в сутках;
k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут;
ρ в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м 3 ;
f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.
Значения λ , k , V , t в , s закладываются при проектировании ССТ.
Значения коэффициента α для солнечных коллекторов II и III типов
|
Значения коэффициентов |
|||||||||
|
α 1 |
α 2 |
α 3 |
α 4 |
α 5 |
α 6 |
α 7 |
α 8 |
α 9 |
|
|
607,0 |
80,0 |
1340,0 |
437,5 |
22,5 |
1900,0 |
1125,0 |
25,0 |
||
|
298,0 |
148,5 |
61,5 |
150,0 |
1112,0 |
337,5 |
700,0 |
1725,0 |
775,0 |
|
Значения коэффициента β для солнечных коллекторов II и III типов
|
Значения коэффициентов |
|||||||||
|
β 1 |
β 2 |
β 3 |
β 4 |
β 5 |
β 6 |
β 7 |
β 8 |
β 9 |
|
|
1,177 |
0,496 |
0,140 |
0,995 |
3,350 |
5,05 |
1,400 |
|||
|
1,062 |
0,434 |
0,158 |
2,465 |
2,958 |
1,088 |
3,550 |
4,475 |
1,775 |
|
Значения коэффициентов а и b находятся из табл. .
Значения коэффициентов а и b в зависимости от типа солнечного коллектора
|
Значения коэффициентов |
||
|
0,75 |
||
|
0,80 |
||
где q i - удельная годовая теплопроизводительность СГВС при значениях f , отличных от 0,5;
Δq - изменение годовой удельной теплопроизводительности СГВС, %.
Изменение значения удельной годовой теплопроизводительности Δq от годового поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность H и коэффициента f
. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯгде З с - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии ССТ, руб./ГДж; З б - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж. где С c - приведенные затраты на ССТ и дублер, руб./год; где к с - капитальные затраты на ССТ, руб.; к в - капитальные затраты на дублер, руб.; E н - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (0,1); Э с - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на ССТ; Э в - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на дублер; Ц - стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж; N д - количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером в течение года, ГДж; к э - эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб.; к п - социальный эффект от экономии зарплаты персонала, обслуживающего дублер, руб. Удельные приведенные затраты определяются по формуле где С б - приведенные затраты на базовую установку, руб./год; |
Определение термина |
|
Солнечный коллектор |
Устройство для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и другие виды энергии |
|
Часовая (суточная, месячная и т.д.) теплопроизводительность |
Количество тепловой энергии, отводимой от коллектора за час (сутки, месяц и т.д.) работы |
|
Плоский солнечный коллектор |
Нефокусирующий солнечный коллектор с поглощающим элементом плоской конфигурации (типа «труба в листе», только из труб и т.п.) и плоской прозрачной изоляцией |
|
Площадь тепловоспринимающей поверхности |
Площадь поверхности поглощающего элемента, освещенная солнцем в условиях нормального падения лучей |
|
Коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора) |
Поток тепла в окружающую среду через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора), отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности, при разности средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха в 1 °С |
|
Удельный расход теплоносителя в плоском солнечном коллекторе |
Расход теплоносителя в коллекторе, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности |
|
Коэффициент эффективности |
Величина, характеризующая эффективность переноса тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю и равная отношению фактической теплопроизводительности к теплопроизводительности при условии, что все термические сопротивления передачи тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю равны нулю |
|
Степень черноты поверхности |
Отношение интенсивности излучения поверхности к интенсивности излучения черного тела при той же температуре |
|
Пропускательная способность остекления |
Пропускаемая прозрачной изоляцией доля солнечного (инфракрасного, видимого) излучения, падающего на поверхность прозрачной изоляции |
|
Дублер |
Традиционный источник тепловой энергии, обеспечивающий частичное или полное покрытие тепловой нагрузки и работающий в сочетании с системой солнечного теплоснабжения |
|
Система солнечного теплоснабжения |
Система, обеспечивающая покрытие нагрузки отопления и горячего водоснабжения за счет солнечной энергии |
|
Тип коллектора |
|||
|
Общий коэффициент тепловых потерь U L , Вт/(м 2 · °С) |
|||
|
Поглощательная способность тепло-приемной поверхности α |
0,95 |
0,90 |
0,95 |
|
Степень черноты поглощательной поверхности в диапазоне рабочих температур коллектора ε |
0,95 |
0,10 |
0,95 |
|
Пропускательная способность остекления τ п |
0,87 |
0,87 |
0,72 |
|
Коэффициент эффективности F R |
0,91 |
0,93 |
0,95 |
|
Максимальная температура теплоносителя, °С |
|||
|
Примечани е. I - одностекольный неселективный коллектор; II - одностекольный селективный коллектор; III - двухстекольный неселективный коллектор. |
|||
|
Изготовитель |
||||
|
Братский завод отопительного оборудования |
Спецгелиотепломонтаж ГССР |
КиевЗНИИЭП |
Бухарский завод гелиоаппаратуры |
|
|
Длина, мм |
1530 |
1000 - 3000 |
1624 |
1100 |
|
Ширина, мм |
1008 |
|||
|
Высота, мм |
70 - 100 |
|||
|
Масса, кг |
50,5 |
30 - 50 |
||
|
Тепловоспринимающая поверхность, м |
0,6 - 1,5 |
0,62 |
||
|
Рабочее давление, МПа |
0,2 - 0,6 |
|||
|
Диаметр наружный/внутренний, мм |
Проходное сечение |
Поверхность нагрева одной секции, м 2 |
Длина секции, мм |
Масса одной секции, кг |
||||
|
внутренней трубы, см 2 |
кольцевого канала, см 2 |
|||||||
|
внутренней трубы |
||||||||
|
ТТ 1-25/38-10/10 |
25/20 |
38/32 |
3,14 |
1,13 |
1500 |
|||
|
ТТ 2-25/38-10/10 |
25/20 |
38/32 |
6,28 |
6,26 |
1500 |
|||
|
Азербайджанская ССР |
||||||||||||
|
Баку |
1378 |
|||||||||||
|
Кировобад |
1426 |
|||||||||||
|
Мингечаур |
1426 |
|||||||||||
|
Армянская ССР |
||||||||||||
|
Ереван |
1701 |
|||||||||||
|
Ленинакан |
1681 |
|||||||||||
|
Севан |
1732 |
|||||||||||
|
Нахичевань |
1783 |
|||||||||||
|
Грузинская ССР |
||||||||||||
|
Телави |
1498 |
|||||||||||
|
Тбилиси |
1396 |
|||||||||||
|
Цхакая |
1365 |
|||||||||||
|
Казахская ССР |
||||||||||||
|
Алма-Ата |
1447 |
|||||||||||
|
Гурьев |
1569 |
|||||||||||
|
Форт-Шевченко |
1437 |
|||||||||||
|
Джезказган |
1508 |
|||||||||||
|
Ак-Кум |
1773 |
|||||||||||
|
Аральское море |
1630 |
|||||||||||
|
Бирса-Кельмес |
1569 |
|||||||||||
|
Кустанай |
1212 |
|||||||||||
|
Семипалатинск |
1437 |
|||||||||||
|
Джаныбек |
1304 |
|||||||||||
|
Колмыково |
1406 |
|||||||||||
|
Киргизская ССР |
||||||||||||
|
Фрунзе |
1538 |
|||||||||||
|
Тянь-Шань |
1915 |
|||||||||||
|
РСФСР |
||||||||||||
|
Алтайский край |
||||||||||||
|
Благовещенка |
1284 |
|||||||||||
|
Астраханская область |
||||||||||||
|
Астрахань |
1365 |
|||||||||||
|
Волгоградская область |
||||||||||||
|
Волгоград |
1314 |
|||||||||||
|
Воронеж |
1039 |
|||||||||||
|
Каменная степь |
1111 |
|||||||||||
|
Краснодарский край |
||||||||||||
|
Сочи |
1365 |
|||||||||||
|
Куйбышевская область |
||||||||||||
|
Куйбышев |
1172 |
|||||||||||
|
Курская область |
||||||||||||
|
Курск |
1029 |
|||||||||||
|
Молдавская ССР |
||||||||||||
|
Кишинев |
1304 |
|||||||||||
|
Оренбургская область |
||||||||||||
|
Бузулук |
1162 |
|||||||||||
|
Ростовская область |
||||||||||||
|
Цимлянск |
1284 |
|||||||||||
|
Гигант |
1314 |
|||||||||||
|
Саратовская область |
||||||||||||
|
Ершов |
1263 |
|||||||||||
|
Саратов |
1233 |
|||||||||||
|
Ставропольский край |
||||||||||||
|
Ессентуки |
1294 |
|||||||||||
|
Узбекская ССР |
||||||||||||
|
Самарканд |
1661 |
|||||||||||
|
Тамдыбулак |
1752 |
|||||||||||
|
Тахнаташ |
1681 |
|||||||||||
|
Ташкент |
1559 |
|||||||||||
|
Термез |
1844 |
|||||||||||
|
Фергана |
1671 |
|||||||||||
|
Чурук |
1610 |
|||||||||||
|
Таджикская ССР |
||||||||||||
|
Душанбе |
1752 |
|||||||||||
|
Туркменская ССР |
||||||||||||
|
Ак-Молла |
1834 |
|||||||||||
|
Ашхабад |
1722 |
|||||||||||
|
Гасан-Кули |
1783 |
|||||||||||
|
Кара-Богаз-Гол |
1671 |
|||||||||||
|
Чарджоу |
1885 |
|||||||||||
|
Украинская ССР |
||||||||||||
|
Херсонская область |
||||||||||||
|
Херсон |
1335 |
|||||||||||
|
Аскания Нова |
1335 |
|||||||||||
|
Сумская область |
||||||||||||
|
Конотоп |
1080 |
|||||||||||
|
Полтавская область |
||||||||||||
|
Полтава |
1100 |
|||||||||||
|
Волынская область |
||||||||||||
|
Ковель |
1070 |
|||||||||||
|
Донецкая область |
||||||||||||
|
Донецк |
1233 |
|||||||||||
|
Закарпатская область |
||||||||||||
|
Берегово |
1202 |
|||||||||||
|
Киевская область |
||||||||||||
|
Киев |
1141 |
|||||||||||
|
Кировоградская область |
||||||||||||
|
Знаменка |
1161 |
|||||||||||
|
Крымская область |
||||||||||||
|
Евпатория |
1386 |
|||||||||||
|
Карадаг |
1426 |
|||||||||||
|
Одесская область |
||||||||||||
|
30,8 |
39,2 |
49,8 |
61,7 |
70,8 |
75,3 |
73,6 |
66,2 |
55,1 |
43,6 |
33,6 |
28,7 |
|
|
28,8 |
37,2 |
47,8 |
59,7 |
68,8 |
73,3 |
71,6 |
64,2 |
53,1 |
41,6 |
31,6 |
26,7 |
|
|
26,8 |
35,2 |
45,8 |
57,7 |
66,8 |
71,3 |
69,6 |
62,2 |
51,1 |
39,6 |
29,6 |
24,7 |
|
|
24,8 |
33,2 |
43,8 |
55,7 |
64,8 |
69,3 |
67,5 |
60,2 |
49,1 |
37,6 |
27,6 |
22,7 |
|
|
22,8 |
31,2 |
41,8 |
53,7 |
62,8 |
67,3 |
65,6 |
58,2 |
47,1 |
35,6 |
25,6 |
20,7 |
|
|
20,8 |
29,2 |
39,8 |
51,7 |
60,8 |
65,3 |
63,6 |
56,2 |
45,1 |
33,6 |
23,6 |
18,7 |
|
|
18,8 |
27,2 |
37,8 |
49,7 |
58,8 |
63,3 |
61,6 |
54,2 |
43,1 |
31,6 |
21,6 |
16,7 |
|
|
16,8 |
25,2 |
35,8 |
47,7 |
56,8 |
61,3 |
|||||||
|
Температура кипения, °С |
106,0 |
110,0 |
107,5 |
105,0 |
113,0 |
|||||||
|
Вязкость, 10 -3 Па · с: |
||||||||||||
|
при температуре 5 °С |
5,15 |
6,38 |
||||||||||
|
при температуре 20 °С |
7,65 |
|||||||||||
|
при температуре -40 °С |
7,75 |
35,3 |
28,45 |
|||||||||
|
Плотность, кг/м 3 |
1077 |
1483 - 1490 |
||||||||||
|
Теплоемкость кДж/(м 3 · °С): |
||||||||||||
|
при температуре 5 °С |
3900 |
3524 |
||||||||||
|
при температуре 20 °С |
3340 |
3486 |
||||||||||
|
Коррозионная способность |
Сильная |
Средняя |
Слабая |
Слабая |
Сильная |
|||||||
|
Токсичность |
Нет |
Средняя |
Нет |
Слабая |
Нет |
Примечани е. Теплоносители на основе углекислого калия имеют следующие составы (массовая доля):
Рецептура 1 Рецептура 2
Калий углекислый, 1,5-водный 51,6 42,9
Натрий фосфорнокислый, 12-водный 4,3 3,57
Натрий кремнекислый, 9-водный 2,6 2,16
Натрий тетраборнокислый, 10-водный 2,0 1,66
Флуоресцоин 0,01 0,01
Вода До 100 До 100
С ростом цен на энергоносители все актуальнее становится использование альтернативных источников энергии. А так как отопление у многих основная статья расходов, то об отоплении речь в первую очередь: платить приходится практически круглый год и немалые суммы. При желании сэкономить, первым на ум приходит солнечное тепло: мощный и совершенно бесплатный источник энергии. И использовать его вполне реально. Причем оборудование стоит хоть и дорого, но в разы дешевле, чем тепловые насосы. О том, как может быть использована энергия солнца для отопления дома, поговорим подробнее.
Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:
Оба варианта имеют свои особенности. Хотя сразу нужно сказать, какой бы из их вы ни выбрали, не спешите отказываться от той системы отопления, которая у вас есть. Солнце встает, конечно, каждое утро, но вот не всегда на ваши солнечные элементы будет попадать достаточно света. Самое разумное решение — сделать комбинированную систему. Когда энергии солнца достаточно, второй источник тепла работать не будет. Этим вы и обезопасите себя, и жить будете в комфортных условиях, и сэкономите.
Если желания или возможности ставить две системы нет, ваше солнечное отопление должно иметь, как минимум, двукратный запас по мощности. Тогда точно можно сказать, что тепло у вас будет в любом случае.
Достоинства использования солнечной энергии для отопления:
Недостатки:
Теперь рассмотрим подробнее каждый из типов солнечных нагревательных элементов.
Для солнечного отопления используют именно гелиоколлекторы. Эти установки при помощи тепла солнца нагревают жидкость-теплоноситель, которую потом можно использовать в системе водяного отопления. Специфика в том, что солнечный водонагреватель для отопления дома выдает только температуру 45-60 о С, а самую высокую эффективность показывает при 35 о С на выходе. Потому рекомендованы такие системы для использования в паре с теплыми водяными полами. Если отказываться от радиаторов вам не хочется, или увеличивайте количество секций (раза в два примерно) или подогревайте теплоноситель.
Для обеспечения дома теплой водой и для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы (плоские и трубчатые)
Теперь о видах солнечных коллекторов. Конструктивно есть две модификации:
В каждой из групп есть вариации и по материалам, и по конструкции, но принцип действия у них один: по трубкам бежит теплоноситель, который нагревается от солнца. Вот только конструкции абсолютно разные.
Эти гелиоустановки для отопления имеют простую конструкцию и потому именно их можно при желании изготовить своими руками. На металлической раме закреплено прочное дно. Сверху уложен слой теплоизоляции. Изолируются для уменьшения потерь и стенки корпуса. Затем идет слой адсорбера — материала, который хорошо поглощает солнечное излучение, превращая его в тепло. Этот слой обычно имеет черный цвет. На адсорбере закреплены трубы, по которым течет теплоноситель. Сверху вся эта конструкция закрывается прозрачной крышкой. Материалом для крышки может быть закаленное стекло или один из пластиков (чаще всего это поликарбонат). В некоторых моделях светопропускающий материал крышки может проходить специальную обработку: для уменьшения отражающей способности его делают не гладким, а чуть матовым.
Трубы в плоском солнечном коллекторе обычно уложены змейкой, имеется два отверстия — впускное и выпускное. Может быть реализовано однотрубное и двухтрубное подключение. Это кому как нравится. Но для нормального теплообмена необходим насос. Возможна и самотечная система, но она будет очень неэффективной из-за небольшой скорости движения теплоносителя. Именно этого типа солнечный коллектор и используют для отопления, хотя с его помощью можно эффективно греть воду для ГВС.
Есть вариант самотечного коллектора, но его применяют в основном для подогрева воды. Называют такую конструкцию еще пластиковым солнечным коллектором. Это две пластины из прозрачного пластика, герметично закрепленные на корпусе. Внутри устроен лабиринт для продвижения воды. Иногда нижняя панель бывает окрашена в черный цвет. Имеется два отверстия — впускное и выпускное. Вода подается внутрь, по мере продвижения по лабиринту греется солнцем, и выходит уже теплой. Такая схема хорошо работает с резервуаром для воды и легко нагревает воду для ГВС. Это современная замена обычной бочке, установленной на летнем душе. Причем более эффективная замена.
Насколько эффективны солнечные коллекторы? Среди всех бытовых гелиоустановок на сегодня они показывают лучшие результаты: их КПД 72-75%. Но не все так хорошо:
Тем не менее, часто отопление частного дома от солнца делают именно при помощи этих гелиоустановок. Такие установки популярны в южных странах с активным излучением и положительными температурами в зимний период. Для наших зим они не подходят, но в летний сезон показывают хорошие результаты.
Эта установка может быть использована для воздушного отопления дома. Конструктивно она очень напоминает описанный выше пластиковый коллектор, но циркулирует и нагревается в нем воздух. Такие устройства навешиваются на стены. Действовать они могут двумя способами: если воздушный гелионагреватель герметичен, воздух забирается из помещения, нагревается и возвращается в то же помещение.
Есть другой вариант. В нем обогрев совмещен с вентиляцией. В наружном корпусе воздушного коллектора имеются отверстия. Через них внутрь конструкции поступает холодный воздух. Проходя через лабиринт, от солнечных лучей он нагревается, а затем подогретым попадает в помещение.
Такое отопление дома будет более-менее эффективным, если установка будет занимать всю южную стену, и при этом тени на этой стене не будет.
Тут тоже циркулирует теплоноситель по трубам, но каждая из таких теплообменных труб вставлена в стеклянную колбу. Все они соединяются в манифолде (manifold), который, по сути, является гребенкой.
Схема трубчатого коллектора (кликните для увеличения размера картинки)
Трубчатые коллекторы имеют два типа трубок: коаксиальные и перьевые. Коаксиальные — труба в трубе — вложены одна в другую и их края запаяны. Внутри между двумя стенками создается разреженная безвоздушная среда. Потому такие трубки называют еще вакуумными. Перьевые трубки — это обычная трубка, запаянная с одной стороны. А перьевыми их называют потому, что для повышения теплоотдачи в них вставляется пластина адсорберная, которая имеет изогнутые края и чем-то напоминает перо.
Кроме того в разные корпуса могут быть вставлены теплообменники разного типа. Первые — это тепловые каналы Heat-pipe (Хит пайп). Это целая система преобразования солнечного света в тепловую энергию. Heat-pipe — это полая медная трубка небольшого диаметра, запаянная на одном конце. На втором находится массивный наконечник. В трубку залито вещество с низкой температурой кипения. При нагревании вещество начинает кипеть, часть его переходит в газообразное состояние и поднимается по трубке вверх. По пути от нагретых стенок трубки оно все больше нагревается. Попадает в верхнюю часть, где находится некоторое время. За это время часть тепла газ передает массивному наконечнику, постепенно охлаждается, конденсируется и оседает вниз, где процесс снова повторяется.
Второй способ — U-type — это традиционная трубка, заполненная теплоносителем. Тут никаких новостей или сюрпризов. Все как обычно: с одной стороны входит теплоноситель, проходя по трубке, нагревается от солнечного света. Несмотря на свою простоту этот вид теплообменников эффективнее. Но используется он реже. А все потому, что солнечные водонагреватели такого типа составляют собой единое целое. При повреждении одной трубки приходится менять вся секцию.
Трубчатые коллекторы с системой Heat-pipe стоят дороже, показывают меньшую эффективность, но используются чаще. А все потому, что поврежденную трубку поменять можно за пару минут. Причем, если колба использована коаксиальная, то трубка тоже может быть отремонтирована. Просто она разбирается (снимается верхняя заглушка) и поврежденный элемент (тепловой канал или сама колба) заменяется на исправный. Затем трубка вставляется на место.
Для южных регионов с мягкой зимой и большим количеством солнечных дней в году лучший вариант — плоский коллектор. При таком климате он показывает высшую продуктивность.
Для регионов с более суровым климатом подходят трубчатые коллекторы. Причем для суровых зим больше подходят именно системы с Heat-pipe: они греют даже ночью и даже в пасмурную погоду, собирая большую часть спектра солнечного излучения. Они не боятся низких температур, но точный диапазон температур нужно уточнять: он зависит от вещества, находящегося в тепловом канале.
Эти системы при грамотном расчете могут быть основными, но чаще они просто экономят затраты на отопление от другого, платного источника энергии.
Еще одним вспомогательным отоплением может быть воздушный коллектор. Его можно сделать во всю стену, причем он легко реализуется своими руками. Он отлично подойдет для отопления гаража или дачи. Причем проблемы с недостаточным нагревом могут возникнуть не зимой, как вы ожидаете, а осенью. При морозе и снеге энергии солнца в разы больше, чем в пасмурную дождливую погоду.
Слыша слова «солнечная энергетика» мы в первую очередь думаем именно о батареях, которые преобразуют свет в электричество. И делают это специальные фотоэлектрические преобразователи. Они выпускаются промышленностью из разных полупроводников. Чаще всего для бытового использования мы применяем кремниевые фотоэлементы. Они имеют самую низкую цену и показывают достаточно приличную производительность: 20-25%.
Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление
Напрямую использовать солнечные батареи для отопления можно лишь в том случае, если котел или другой отопительный прибор на электричестве вы подключите к этому источнику тока. Также солнечные панели в совокупности с электро-аккумуляторами можно интегрировать в систему снабжения дома электричеством и таким образом уменьшать приходящие ежемесячно счета за использованную электроэнергию. В принципе, вполне реально полностью обеспечить потребности семьи от этих установок. Просто средств и площадей потребуется много. В среднем с квадратного метра панели можно получить 120-150Вт. Вот и считайте, сколько квадратов кровли или придомовой территории должно быть занято такими панелями.
Целесообразность устройства системы солнечного отопления у многих вызывает сомнения. Основной довод — это дорого и никогда себя не окупит. С тем, что это дорого, приходится согласиться: цены на оборудование немаленькие. Но никто не мешает вам начать с малого. Например, для оценки эффективности и практичности идеи сделать подобную установку самому. Затрат минимум, а представление будете иметь из первых рук. Потом уже будете решать стоит со всем этим связываться или нет. Вот только в чем дело: все негативные сообщения от теоретиков. От практиков не встречалось ни одного. Идет активное выяснение способов улучшения, переделок, но никто не сказал, что затея бесполезна. Это о чем-то говорит.
Теперь о том, что установка системы солнечного отопления никогда не окупится. Пока срок окупае
мости в нашей стране большой. Он сравним со сроком эксплуатации солнечных коллекторов или батарей. Но если посмотреть динамику роста цен на все энергоносители, то можно предположить, что вскоре он сократится до вполне приемлемых сроков.
Теперь собственно о том, как сделать систему. Прежде всего, нужно определить потребность вашего дома и семи в тепле и горячей воде. Общая методика расчета системы солнечного отопления следующая:
Кроме определения количества составляющих гелиосистемы, понадобится определить объем бака, в котором будет накапливаться горячая вода для ГВС. Это легко можно сделать, зная фактический расход вашей семьи. Если у вас установлен счетчик на ГВС, и вы имеете данные за несколько лет, можно вывести среднюю норму потребления в день (средний расход в месяц поделить на количество дней). Вот примерно такой объем бака вам нужен. Но бак нужно брать с запасом в 20% или около того. На всякий случай.
Если ГВС или счетчика нет, можно воспользоваться нормами потребления. Один человек в сутки в среднем расходует 100-150 литров воды. Зная, сколько человек постоянно проживают в доме, вы рассчитаете требуемый объем бака: норма умножается на количество жильцов.
Сразу нужно сказать, что рациональной (с точки зрения окупаемости) для средней полосы России является система солнечного отопления, которая покрывает порядка 30% потребности в тепле и полностью снабжает горячей водой. Это усредненный результат: в какие-то месяцы отопление будет на 70-80% обеспечиваться гелиосистемой, а в какие-то (декабрь-январь) всего на 10%. И снова-таки многое зависит от типа солнечных батарей и от региона проживания.
Причем дело не только в «севернее» или «южнее». Дело в количестве солнечных дней. Например, на очень холодной Чукотке солнечное отопление будет очень эффективным: там почти всегда светит солнце. В гораздо более мягком климате Англии, с вечными туманами, его эффективность крайне низка.
;
Несмотря на множество критиков, которые говорят о неэффективности солнечной энергетики и слишком большом сроке окупаемости, все больше людей хоть частично переходят на альтернативные источники. Кроме экономии многих привлекает независимость от государства и его ценовой политики. Чтобы не жалеть о напрасно вложенных суммах, можно сначала провести эксперимент: изготовить одну из солнечных установок своими руками и решить для себя насколько это вас привлекает (или нет).
Солнечное теплоснабжение – способ отопления жилого дома, который с каждым днем становится все более популярным во многих, в основном развитых, государствах мира. Наибольшими успехами в области солнечной тепловой энергетики на сегодняшний день могут похвастаться в странах западной и центральной Европы. На территории Евросоюза на протяжении последнего десятилетия наблюдается ежегодный рост отрасли возобновляемой энергетики на 10–12%. Такой уровень развития – это очень существенный показатель.
Солнечный коллектор
Одна из наиболее очевидных областей применения солнечной энергетики – это ее использование в целях подогрева воды и воздуха (как теплоносителей). В климатических областях, где преобладает холодная погода, для комфортного проживания людей обязательны расчет и организация систем отопления каждого жилого дома. В них должно присутствовать горячее водоснабжение для различных нужд, к тому же дома необходимо отапливать. Конечно, лучшим вариантом здесь будет применение схемы, где работают автоматизированные системы теплоснабжения.
Больших объемов ежедневного поступления горячей воды в процессе производства требуют промышленные предприятия. В качестве примера можно привести Австралию, где на подогрев жидкого теплоносителя до температуры, не превышающей 100 o C, затрачивается практически 20 процентов всей расходуемой энергии. По этой причине в части развитых стран запада, а в большей мере в Израиле, Северной Америке, Японии и, конечно же, в Австралии, очень быстро происходит расширение производства солнечных отопительных систем.
В ближайшем будущем развитие энергетики, несомненно, будет направлено в пользу использования солнечного излучения. Плотность солнечной радиации на земной поверхности составляет в среднем 250 Вт на один метр квадратный. И это притом, что для обеспечения хозяйственных нужд человека в наименее индустриальных районах достаточно двух Ватт на квадратный метр.
Выгодное отличие солнечной энергии от других отраслей энергетики, использующих процессы сжигания ископаемого топлива, это экологичность получаемой энергии. Работа солнечного оборудования не влечет за собой выделения вредных выбросов в атмосферу.
Выбор схемы применения оборудования, пассивные и активные системы
Существует две схемы использования солнечного излучения в качестве системы отопления для дома. Это активные и пассивные системы. Пассивные системы отопления на солнечной радиации – те, в которых элементом, непосредственно абсорбирующим солнечную радиацию и образующим из нее теплоту, служит сама конструкция дома либо его отдельные части. Этими элементами могут служить забор, кровля, отдельные части здания, построенные на основе определенной схемы. В пассивных системах не используются механические движущиеся части.
Активные системы работают на основе противоположной схемы отопления дома, в них активно используются механические устройства (насосы, двигатели, при их использовании также производят расчет необходимой мощности).
Наиболее простыми по своей конструкции и менее затратными в финансовом плане при монтаже схемы являются системы пассивного действия. Такие схемы отопления не нуждаются в установке дополнительных устройств для абсорбции и последующего распределения солнечного излучения в системе отопления дома. Работа таких систем основана на принципе прямого обогрева жилого помещения прямо через пропускающие свет стены, расположенные на южной стороне. Дополнительную функцию обогрева осуществляют внешние поверхности элементов ограждения дома, которые оборудуются слоем прозрачных экранов.
Для запуска процесса преобразования солнечной радиации в тепловую энергию применяют систему конструкций, основанную на использовании гелиоприёмников с прозрачной поверхностью, где основную функцию играет «парниковый эффект», используются возможности стекла удерживать тепловое излучение, благодаря чему и повышают температуру внутри помещения.
Стоит отметить, что применение только одного из видов систем может быть не совсем оправдано. Зачастую тщательный расчет показывает, что добиться значительного снижения потерь тепла и уменьшения потребностей здания в энергии можно путем применения интегрированных систем. Общая работа и активной, и пассивной системы путем сочетания положительных качеств даст максимальный эффект.
Обычно проводимый расчет эффективности показывает, что пассивное использование излучения солнца обеспечит потребности вашего дома в отоплении приблизительно на 14–16 процентов. Такая система будет важной составляющей процесса получения тепла.
Однако, невзирая на определенные положительные качества пассивных систем, основные возможности для полного обеспечения потребностей здания в тепле все-таки необходимо применение активного отопительного оборудования. Системы, функцией которых является непосредственно поглощение, аккумуляция и распределение солнечной радиации.
Планирование и расчет
Произвести расчет возможности монтажа активных отопительных систем, использующих солнечную энергию (кристаллические солнечные фотоэлементы, солнечные коллекторы), желательно на стадии проектирования здания. Но все же этот момент не носит обязательного характера, установка такой системы возможна и на уже существующее задание независимо от года его постройки (основа для успеха – правильный расчет всей схемы).
Монтаж оборудования осуществляют на южную сторону дома. Такое расположение создает условия для максимального поглощения поступающей солнечной радиации зимой. Фотоэлементы, преобразующие энергию солнца и установленные на неподвижную конструкцию, наиболее эффективны при их монтаже относительно поверхности земли под углом равным географической локации отапливаемого здания. Угол наклона крыши, градус поворота дома к югу – это значимые моменты, которые в обязательном порядке надо учитывать, производя расчет всей схемы отопления.
Солнечные фотоэлементы и коллекторы на солнечном излучении необходимо устанавливать максимально близко к месту энергопотребления. Помните, что чем ближе вы построите ванную и кухню, тем меньше будут потери тепла (в таком варианте можно обойтись и одним солнечным коллектором, который будет обогревать оба помещения). Основным критерием оценки при подборе необходимого вам оборудования является его коэффициент полезного действия.
Отопительные солнечные системы активного действия, делятся на следующие группы по следующим критериям:
Общие экономические данные будут служить основным фактором выбора в пользу одного из типов оборудования. Правильно определиться вам поможет грамотный тепловой расчет всей системы. Расчет необходимо выполнять, учитывая показатели каждого конкретного помещения, где намечена организация солнечного отопления и (или) горячего водоснабжения. Стоит учитывать месторасположение строения, климатические природные условия, размер стоимости вытесняемого энергетического ресурса. Правильный расчет и удачный выбор схемы организации теплоснабжения – залог экономической целесообразности применения оборудования солнечной энергетики.
Солнечная система теплоснабжения
Самой распространенной из используемых схем отопления является установка солнечных коллекторов, в которых предусмотрена функция накопления абсорбированной энергии в специальной емкости – аккумуляторе.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили двухконтурные схемы отопления жилых помещений, в которых установлена принудительная система циркуляции теплоносителя в коллекторе. Принцип его работы следующий. Подача горячей воды осуществляется из верхней точки накопительного бака, процесс происходит автоматически согласно законам физики. Холодная проточная вода напором подается в нижнюю часть бака, эта вода вытесняет собирающуюся в верхней части бака нагретую, которая далее поступает в систему горячего водоснабжения дома для удовлетворения его хозяйственных нужд и нужд отопления.
Для односемейного дома обычно устанавливают бак накопитель вместимостью от 400 до 800 литров. Для разогрева теплового носителя таких объемов в зависимости от природных условий требуется правильно рассчитать площадь поверхности солнечного коллектора. Также необходимо обосновать использование оборудование экономически.
Стандартный набор оборудования для монтажа отопительной системы на солнечном излучении следующий:
Система на основе теплопоглощающих панелей. Такие панели, как правило, применяют на этапе нового строительства. Для их монтажа необходимо построить специальную конструкцию, называемую горячей крышей. Это означает, что панели необходимо вмонтировать непосредственно в конструкцию крыши, при этом используя элементы кровли в качестве составных элементов корпуса оборудования. Такая установка снизит ваши затраты на создание системы отопления, однако потребует высококачественной работы по гидроизоляции стыков устройств и кровли. Такой способ установки оборудования потребует от вас тщательного проектирования и планирования всех этапов работы. Надо решить много задач по разводке труб, размещению накопительного бака, установке насоса, регулировке уклонов. Достаточно много проблем при монтаже придется решить в случае, если здание не самым удачным образом повернуто к югу.
В целом проект солнечных систем отопления будет отличным от других в той или иной степени. Неизменными останутся только базовые принципы системы. Поэтому привести точный перечень необходимых деталей для полного монтажа всей системы невозможно, так как в процессе установки может возникнуть необходимость применения дополнительных элементов и материалов.
В системах, работающих на основе жидкого теплоносителя, в качестве аккумулирующего вещества применяют обычную воду. Абсорбция энергии происходит в солнечных коллекторах плоской конструкции. Энергия аккумулируется в баке накопителе и расходуется по мере возникновения надобности.
Для передачи энергии от накопителя в здание применяют водо-водяной или водовоздушный теплообменник. Система горячего водообеспечения оборудована дополнительным баком, который называют баком предварительного нагрева. Вода нагревается в нем за счет солнечного излучения и далее поступает в обычный водонагреватель.
Такая система в качестве носителя тепла использует воздух. Разогревание теплоносителя осуществляется в плоском солнечном коллекторе, а далее нагретый воздух попадает в отапливаемое помещение либо в специальный накопительный прибор, где абсорбированная энергия накапливается в специальной насадке, которая обогревается поступающим горячим воздухом. Благодаря этой особенности система продолжает снабжать дом теплом даже ночью, когда солнечное излучение не доступно.
Основа работы систем с естественной циркуляцией состоит в самостоятельном движении теплоносителя. Под воздействием повышающейся температуры он теряет плотность и поэтому стремиться в верхнюю часть устройства. Возникающая разница в величине давлений и заставляет функционировать оборудование.
Системы солнечного теплоснабжения
4.1. Классификация и основные элементы гелиосистем
Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.
По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.
Пассивныминазываются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 4.1.1)).
Рис. 4.1.1 Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.
Активныминазываются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:
по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);
по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);
по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);
по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).
Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.
Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.
Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.
Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).
Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.
Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.4.1.2. Она включает три контура циркуляции:
первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;
второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;
третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.
Рис. 4.1.2. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.
Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.
Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.
Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.
4.2. Концентрирующие гелиоприемники
Концентрирующие гелиоприемникипредставляют собой сферические или параболические зеркала (рис. 4.2.1), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.
Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.
Рис. 4.2.1. Концентрирующие гелиоприемники: а – параболический концентратор; б – параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.
Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.
4.3. Плоские солнечные коллекторы
Плоский солнечный коллектор– устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.
Плоские солнечные коллекторы (рис. 4.3.1) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).
Рис. 4.3.1. Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.
В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.
Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80 °С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе “черного никеля”, “черного хрома”, окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).
Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).
Потенциальные возможности использования гелиоэнергетики на Украине
На территории Украины энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт ∙ час на 1м 2 (в летние дни – до 6 – 6.5 кВт ∙ час) т. е. около 1,5 тысячи кВт ∙ час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер.
Кроме благоприятных климатических условий на Украине имеются высоко квалифицированные научные кадры в области использования солнечной энергии. После возвращения проф. Бойко Б.Т. из ЮНЕСКО, где он возглавлял международную программу ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии (1973-1979г.), он начал интенсивную научную и организационную деятельность в Харьковском политехническом институте (ныне Национальный Технический Университет - ХПИ) по развитию нового научного и учебного направления материаловедения для гелиоэнергетики. Уже в 1983 году в соответствии с приказом Минвуза СССР N 885 от 13.07.83 г. в Харьковском Политехническом Институте впервые в практике высшей школы СССР была начатая подготовка инженеров-физиков с профилированием в области материаловедения для гелиоэнергетики в рамках специальности “Физика металлов”. Это заложило основы создания в 1988 году выпускающей кафедры “Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики” (ФМЭГ). Кафедра ФМЭГ в содружестве с Научно-исследовательским институтом технологии приборостроения (Харьков) в рамках космической программы Украины принимала участие в создании кремниевых солнечных батарей с к.п.д. 13- 14% для украинских космических аппаратов.
Начиная с 1994 года, кафедра ФМЭГ при поддержке Штутгардского Университета и Европейского Сообщества, а также Цюрихского Технического Университета и Швейцарского Национального Научного Общества принимает активное участие в научных исследованиях по разработке пленочных ФЭП.
