Эффективность солнечных водонагревателей в климатических условиях России

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 662.997

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РОССИИ

© 2012 г. С.Е. Фрид , Ю.Г. Коломиец , А.В. Мордынский , М.Ж. Сулейманое , А.В. Арсатое , М.Ю. Ощепкое

Объединенный институт *Joint Institute for High Temperatures

высоких температур РАН Russian Academy of Sciences

**ООО «Политермо» **LTD «Politermo»

Представлен краткий обзор используемых в мире солнечных водонагревательных установок (СВУ). Выполнено сравнение работы в климатических условиях РФ индивидуальных солнечных водонагревательных установок с солнечным коллектором и отдельно размещенным над ним баком-аккумулятором и СВУ, в которых аккумулирование нагретой воды осуществляется непосредственно в солнечном коллекторе. Показано, что при сезонном использовании СВУ в летний период интегрированные СВУ могут быть не менее эффективными.

Ключевые слова: возобновляемая энергетика; солнечная водонагревательная установка.

Solar water heaters (SWH) of different types have been shortly reviewed. The comparative investigation in Russian climate has been carried out for individual SWH having separate solar collector and hot water storage and integrated collector-storage SWH. It has been shown that integrated SWH can be not less effective using in the course of summer.

Keywords: renewable energy; solar water heating.

Стоимость получаемой от возобновляемых источников энергии непрерывно снижается. Наиболее широко освоено использование солнечной энергии для производства низкопотенциального тепла, прежде всего, для получения горячей воды в солнечных водо-нагревательных установках (СВУ). В 2011 г. суммарная тепловая мощность действующих в мире солнечных водонагревательных установок (без учета систем нагрева воды в плавательных бассейнах) превысила 200 ГВт [1] (более 350 млн м2 солнечных коллекторов). В России рынок солнечных водонагревателей развит слабо, по разным оценкам, суммарная площадь действующих солнечных коллекторов в стране не превышает 30 тыс. м2, что соответствует установленной тепловой мощности около 20 МВт. Промышленное производство солнечных коллекторов и водона-гревательных установок на их основе в России фактически отсутствует, а зарубежные образцы относительно дороги, что в сочетании с ограниченностью квалифицированных кадров в рассматриваемой области и недостаточной информированностью потребителей о потенциальных достоинствах солнечных установок сдерживает развитие рынка. Наибольшее число солнечных установок эксплуатируется в Краснодарском крае, Бурятии и в Дагестане. Несмотря на укоренившееся мнение, что климатические условия РФ для развития солнечной энергетики неблагоприятны, по поступлению солнечной энергии многие регионы России не только не уступают, но имеют и более бла-

гоприятные условия, чем европейские страны [2, 3], где солнечные установки уже нашли широкое применение. В этой связи представляется важным обоснование типов и конструкций СВУ, имеющих благоприятные показатели для практического применения в климатических условиях различных регионов России.

Классификация солнечных водонагревателей

Солнечные водонагревательные установки весьма разнообразны, различаются конструкцией, материалами, схемами течения теплоносителей и количеством контуров циркуляции, организацией хранения накопленного тепла и т.д. По принципу взаимного размещения поглощающей панели и бака-аккумулятора СВУ могут быть разделены на группы, как показано на рис. 1.

К первой группе относятся раздельные солнечные водонагревательные установки, в которых функции сбора солнечного тепла и его хранения разделены между отдельными устройствами - солнечным коллектором и баком-аккумулятором. Родоначальницей этой группы является установка, запатентованная в 1909 г. Вильямом Бейли [4]. В крупных СВУ тепловой мощностью до нескольких мегаватт с помощью циркуляционных насосов осуществляется принудительная циркуляция теплоносителя в контуре солнечные коллекторы - бак-аккумулятор. Установки этой группы проектируются в индивидуальном порядке под конкретного потребителя.

Интегрированные

С плоским баком

С концентрацией

С наборным баком

Рис. 1. Классификация солнечных водонагревательных установок

Гораздо большее распространение получили раздельные индивидуальные СВУ тепловой мощностью до нескольких киловатт, выполняемые по более простой схеме, чем крупные установки. За счет расположения бака-аккумулятора выше солнечного коллектора в солнечном контуре таких СВУ (их обычно называют термосифонными) обычно обеспечивается естественная циркуляция воды. Площадь солнечного коллектора такой установки обычно составляет 2 - 4 м2, объем бака-аккумулятора - 100-200 л, чего обычно достаточно для снабжения семьи из 2 - 3 человек горячей водой в условиях теплого климата или при сезонной эксплуатации установки в теплый период года. В последние годы наметилась тенденция к некоторому увеличению размеров установок до 4 - 8 м2 площади коллектора и 400 - 600 л объема бака [5], а также появления так называемых комплектных установок заводской готовности (pre-packaged) [6] примерно таких же размеров, представляющих собой комплекты оборудования (солнечные коллекторы с опорными конструкциями, бак-аккумулятор, трубопроводы, циркуляционные насосы, арматура, система автоматики) для монтажа в индивидуальных жилых домах.

Вторую группу составляют интегрированные СВУ, или установки аккумуляционного типа, в которых бак-аккумулятор совмещен с поглощающей панелью, и функцию поглощающей панели выполняет одна из граней бака-аккумулятора. Именно с таких СВУ начиналась история гелиотехники [7, 8]. Установки аккумуляционного типа различаются, прежде всего, по форме бака-аккумулятора: баки бывают плоские, цилиндрические и наборные. Отметим, что есть установки без концентраторов солнечного излучения (тогда бак-аккумулятор у них должен быть плоским и иметь достаточно большую площадь), а также с концентраторами, которые могут располагаться как внутри корпуса СВУ, так и вне его.

Из-за совмещенной конструкции интегрированные СВУ в принципе должны быть менее материало-

емкими по сравнению с термосифонными, однако при применении традиционных материалов - металла и стекла - оказываются в изготовлении более сложными и менее технологичными. Серийно они сегодня практически не выпускаются, поскольку на определенном этапе развития их вытеснили термосифонные. К тому же считается, что СВУ аккумуляционного типа с точки зрения преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло менее эффективны, чем термосифонные. Данное утверждение основано на том, что в установках аккумуляционного типа имеют место более высокие тепловые потери от горячей воды, постоянно заполняющей панель установки, через прозрачное покрытие в ночное время, в то время как в термосифонных СВУ нагретая вода хранится в хорошо теплоизолированном баке.

Помимо раздельных и интегрированных существует также небольшая группа гибридных СВУ. У них в единой конструкции можно выделить зоны солнечного коллектора и бака-аккумулятора. Следует отметить, что преимущества гибридных установок перед интегрированными неочевидны, а конструкция сложнее.

В данной работе выполнено имитационное моделирование работы раздельных и интегрированных СВУ на всей территории Российской Федерации и проведено сравнение их теплотехнических характеристик.

Моделирование СВУ

Термосифонная СВУ рассматривается в простейшей конфигурации, которая включает в себя в качестве основных компонентов солнечный коллектор, водяной бак-аккумулятор и соединяющие их теплоизолированные трубопроводы. При поступлении на коллектор солнечного излучения вода в нем нагревается и за счет естественной или принудительной циркуляции (для простоты при моделировании рассматривалась система с принудительной циркуляцией) поступает в

бак-аккумулятор, откуда вновь направляется в солнечный коллектор для дальнейшего нагрева. В периоды недостаточной для нагрева воды интенсивности солнечного излучения циркуляция воды прекращается средствами автоматики и возобновляется, если интенсивность солнечного излучения возрастает до необходимого для нагрева воды уровня. Вода в баке считается полностью перемешанной, поскольку габариты и расположение баков в индивидуальных СВУ принять меры для поддержания в баке температурной стратификации, как правило, не позволяют [9].

В СВУ аккумуляционного типа температурная стратификация в тепловоспринимающей панели в расчетах учитывается, для чего панель разбивается на ряд зон аналогично модели стратифицированного бака-аккумулятора, приведенной в работе [9].

Отбор нагретой воды к потребителю в термосифонной СВУ осуществляется из бака-аккумулятора и, если это необходимо, вода догревается до нужной потребителю температуры резервным нагревателем. В СВУ аккумуляционного типа отбор нагретой воды осуществляется из верхней наиболее нагретой зоны панели. Предполагалось, что СВУ оборудована смесителем, и, если температура в баке-аккумуляторе (верхней зоне панели) превышает необходимую потребителю, то к горячей воде подмешивается соответствующее количество холодной (10 °С) воды из водопровода.

Оба типа СВУ моделировались в предположении, что бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы идеально теплоизолированы. Объемы бака-аккумулятора принимались равными 100 л, величина нагрузки составляла 100 л горячей воды в день. Габаритная площадь коллектора термосифонной установки принималась равной 2 м2 (это соотношение площади коллектора и объема бака-аккумулятора считается близким к оптимальному и наиболее часто реализуется на практике). Площадь интегрированной СВУ составляла 1,5 м2 (конструкция установки описана ниже). Отметим, что интегрированные СВУ отличаются меньшей чувствительностью к соотношению площади солнечного коллектора и объема бака, чем термосифонные [3].

Параметры теплотехнического совершенства солнечного коллектора при моделировании термосифонной установки соответствовали типичным [3, 10]: F'(тa) = 0,72 и F'UL = 3,6 Вт/(м2К). Все современные плоские солнечные коллекторы, имеющие остекление, оснащены селективным покрытием поглощающей панели [10], нанесение которого на полимерные материалы затруднено. Для неселективной поглощающей панели коэффициент потерь через лицевую поверхность при 20 °С оценивается в 4,8 Вт/(м2К) [9], а при 60°С - в 5,6 Вт/(м2К). Среднее значение коэффициента составляет 5,2 Вт/(м2К), с учетом потерь через тыльную и боковые стенки полный коэффициент тепловых потерь можно оценить в 6,5 Вт/(м2К). Доля поглощенного в тонком (2 мм) листе полиметилме-такрилата солнечного излучения составляет не менее 98 % от падающего. Показатель преломления полиме-

тилметакрилата примерно равен 1,5, поэтому на каждой поверхности остекления отражается 4 % падающего излучения. При величине поглощательной способности окрашенной в черный цвет поглощающей панели 0,92...0,93 приведенную поглощательную способность можно оценить в (та) ~ 0,81. Полученные значения параметров теплотехнического совершенства, вообще говоря, относятся к эффективной площади поглощающей панели СВУ. Вместе с тем установка состоит из отдельных емкостей, между которыми располагаются зоны клеевых швов (см. ниже). В отличие от традиционных металлических конструкций, поглощающая панель из полимерных материалов обладает низкой теплопроводностью, поэтому поглощенное тепло вдоль нее практически не передается, и вклад зоны клеевых швов в оптический КПД отсутствует. С учетом соотношения габаритной площади СВУ и эффективной площади поглощающей панели оптический КПД СВУ можно оценить в 0,69. Аналогичным образом пересчитывается эффективный коэффициент потерь. Тепловыми потерями в зонах клеевых швов можно пренебречь, считая, что потери в этих зонах компенсируются поглощенным солнечным излучением. В результате эффективный коэффициент потерь (в расчете на габаритную площадь) составляет 5,3 Вт/(м2К).

В качестве показателя энергетической эффективности СВУ использовалась широко известная «доля покрытия нагрузки горячего водоснабжения потребителя за счет солнечной энергии» или solar fraction - в зарубежной литературе, в отечественной - коэффициент замещения f [9].

Важным фактором при моделировании СВУ является суточный график потребления нагретой воды. В данном случае моделировалась система горячего водоснабжения, работающая на нагрузку, суточный график разбора горячей воды, нагретой до 37 или 45 °С (в первом случае вода ощущается как теплая, второе значение присутствует в нормативных документах по горячему водоснабжению), принят по данным [9]. В случае если температура в баке-аккумуляторе ниже требуемой, догрев воды осуществляется резервным нагревателем, расположенным вне бака-аккумулятора.

Анализ показателей эффективности СВУ базируется на имитационном моделировании работы установок в конкретных климатических условиях с учетом сделанных допущений. В процессе моделирования рассчитываются ежесуточные показатели установки, фиксируются достигнутые температуры нагрева воды и затем полученные результаты статистически обрабатываются для различных периодов года. Источником исходной климатической информации служат данные NASA SSE [11], содержащиеся в локальной базе климатологических данных [12]. Расчет выполнялся для всей территории Российской Федерации (4004 точки).

Результаты расчета доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения рассматриваемыми типами СВУ в летний период для температуры горячей воды 37 °С приведены на рис. 2 - 4.

Лккум.СВУ

Лето, 37оС

селективная панель

00,8 Уразд.СВУ

Рис. 2. Доля покрытия нагрузки в летний период СВУ аккумуляционного типа в сравнении с раздельной установкой и аккумуляционной СВУ с селективным покрытием

На рис. 2 представлены зависимости доли покрытия нагрузки для установок аккумуляционного типа от

доли покрытия для раздельной СВУ. Ясно видно преимущество в производительности интегрированных установок над раздельными при наличии селективного покрытия на поглощающей панели. Выигрыш в доле покрытия нагрузки доходит до 20 %. Производительность интегрированной СВУ без селективного покрытия поглощающей панели несколько меньше. В летнее время доля покрытия нагрузки такой установкой ниже, чем для раздельной СВУ примерно на 10 %

На рис. 3 и 4 приведены карты распределения доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения солнечными водонагревательными установками в летний период для температуры нагрева воды 37 °С. Несмотря на существенно худшие значения параметров теплотехнического совершенства, интегрированная СВУ обеспечивает покрытие нагрузки горячего водоснабжения выше 0,6 практически в тех же регионах, что и раздельная СВУ с современным плоским солнечным коллектором, имеющим селективное покрытие поглощающей панели.

Рис. 3. Доля покрытия нагрузки в летний период для СВУ с плоским коллектором

Рис. 4. Доля покрытия нагрузки в летний период для интегрированной СВУ

Объясняется это, по-видимому, значительной температурной стратификацией в тепловосприни-мающей панели такой СВУ, что позволяет направлять потребителю в течение дня воду из СВУ с более высокой температурой. В результате наличие температурной стратификации компенсирует повышенные тепловые потери, прежде всего, ночные.

В холодные периоды года теплопотери превалируют над эффектом стратификации, что подтверждают результаты расчета годовой доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения: СВУ аккумуляционного типа демонстрирует более низкую годовую производительность, чем термосифонная установка.

Экспериментальная интегрированная СВУ

из полимерных и композитных материалов

Как отмечалось выше, применение в конструкции интегрированной СВУ полимерных и композитных материалов может упростить конструкцию, сделать ее более технологичной и, в конечном итоге, более дешевой, чем традиционные аналоги. Вместе с тем есть основания полагать, что при использовании современных полимерных и композиционных материалов интегрированные СВУ могут стать более дешевыми в производстве, чем термосифонные. Для проверки этих соображений нами спроектированы и изготовлены полномасштабные экспериментальные образцы СВУ из полимерных и композиционных материалов (рис. 5). Габаритная площадь установки - около 1,5 м2, что позволяет перевозить ее легковым автомобилем.

щего эластичностью для предотвращения растрескивания отформованного полиметилметакрилата. Тыльная сторона СВУ теплоизолирована вспененным материалом с добавками стекловолокна, теплоизоляция составляет единое целое с корпусом установки.

Общая масса полимерных и композитных деталей составляет менее 20 кг, а полная масса конструкции, включая раму, теплоизоляцию и гидравлическую обвязку, не превышает 30 кг. Таким образом, применение полимерных материалов позволило снизить удельную массу СВУ до величины порядка 20 кг/м2. Оценки показывают, что себестоимость установки при переходе на крупносерийное производство (более 5000 изделий в год) не превышает 7000 р., т.е. 120 евро/м2, что в 3-5 раз ниже стоимости известных традиционных СВУ. Предварительные испытания подтвердили работоспособность установки при давлениях до 0,25 МПа, установка обладает достаточным запасом прочности для работы в безнапорных системах теплоснабжения. В настоящее время проводятся теплотехнические испытания экспериментальных образцов установки на специализированном теплогидравличе-ском стенде в ОИВТ РАН.

Заключение

Выполненные сравнительные расчетные исследования позволяют утверждать, что в случае летнего сезонного использования, актуального в климатических условиях России, СВУ аккумуляционного типа способны даже при более низких значениях параметров теплотехнического совершенства обеспечивать покрытие нагрузки горячего водоснабжения в не меньшей степени, чем установки с отдельными солнечными коллекторами и баками-аккумуляторами.

Разработаны, изготовлены и прошли предварительные испытания экспериментальные образцы СВУ аккумуляционного типа из полимерных и композиционных материалов. Предварительные испытания подтверждают работоспособность таких установок, предварительная оценка стоимости позволяет надеяться на их конкурентоспособность.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракт № 16.516.11.6104).

Рис. 5. Экспериментальный образец СВУ из полимерных и композитных материалов

Стеклопластиковый корпус установки состоит из пяти объединённых между собою секций, объёмом около 20 л каждая, т.е. емкость бака СВУ составляет 100 л (около 66 л/м2). Тонкостенная (1 мм) поглощающая панель соединена с корпусом клеевыми швами. Наличие клеевых перемычек уменьшает эффективную площадь поглощающей панели, в расчете на эту площадь объем бака составляет около 85 л/м2.

Прозрачное покрытие изготовлено из полиметил-метакрилата методом термовакуумформования. Толщина воздушного зазора - 25 мм. Соединение прозрачного покрытия с корпусом - клеевое, с применением термостойкого полиуретанового клея, обладаю-

Литература

1. Renewables 2011. Global Status Report. 2012. // http://www.ren21.net. (дата обращения: 30.07.2012 г.).

2. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В.,

Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М., 2010. 84 с.

3. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Эффективность использования солнечного излучения для нагрева воды на территории Российской Федерации // Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 6. С. 16 - 23.

4. Bailey W.J. Solar Heater // US patent No. 966070. 1910.

5. Meyer J.-P. Thermosiphonic systems: focus on installation //

Sun & Wind Energy. 2012. № 4. P. 48 - 56.

6. Meyer J.-P. One supplier for all // Sun & Wind Energy. 2011. №. 3. P. 84 - 101.

7. Kemp C.M. Apparatus for Utilizing the Sun's rays for heating water // US patent № 451384. 1891.

8. Bainbridge D.A. The integral Passive Solar Water Heater Book. Solar Usage Now. 1981. 104 p.

9. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes: 3d ed. New Jersey. John Wiley & Sons. 2006. 928 p.

Поступила в редакцию

10. Попель О.С., Фрид С.Е., Щеглов В.Н., Сулейманов М.Ж., Коломиец Ю.Г., Прокопченко И.В. Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежных и отечественных производителей и новые технические решения // Теплоэнергетика. 2006. № 3. С. 11 - 16.

11. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set // 2011. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/

12. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коломиец Ю.Г., Лисицкая Н.В. Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных) : учеб. пособие. М., 2010. 56 с.

10 сентября2012 г.

Фрид Семен Ефимович - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Объединенный институт высоких температур РАН. E-mail: s_frid@oivtran.ru

Коломиец Юлия Георгиевна - канд. техн. наук, научный сотрудник, Объединенный институт высоких температур РАН. E-mail: kolomietsyg@gmail.com

Мордынкий Александр Витальевич - младший научный сотрудник, Объединенный институт высоких температур РАН. E-mail: weldi@rambler.ru

Сулейманов Муси Жамалуттинович - канд. техн. наук, научный сотрудник, Объединенный институт высоких температур РАН. E-mail: smusi@mail.ru

Арсатов Андрей Владимирович - канд. хим. наук, руководитель проекта, ООО «Политермо». E-mail: a-ov@ yandex.ru

Ощепков Михаил Юрьевич - канд. техн. наук, ведущий конструктор, ООО «Политермо». E-mail: moschep-kov@yandex.ru

Frid Semen Efimovich - Candidate of Technical Sciences, chief research assistant, Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences. E-mail: s_frid@oivtran.ru

Kolomiets Yuliya Georgievna - Candidate of Technical Sciences, research associate, Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences. E-mail: kolomietsyg@gmail.com

Mordinskiy Alexander Vitalevich - junior scientist, Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences. E-mail: weldi@rambler.ru

Suleymanov Musi Zhamaluttinovich - Candidate of Technical Sciences, research associate, Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences. E-mail: smusi@mail.ru

Arsatov Andrey Vladimirovich - Candidate of Chemical Sdences, project manager, LTD «Politermo». E-mail: a-ov@yandex.ru

Oschepkov Mihail Yurievich - Candidate of Technical Sciences, design project leader, LTD «Politermo». E-mail: moschepkov@yandex.ru