Как отмечалось в первой части статьи*, полученные в результате вариантных расчетов зависимости удельного числа дней от суточных сумм солнечного излучения отличаются относительно небольшим разбросом данных. Это позволяет провести их обработку с получением более или менее универсальных аппроксимационных соотношений, пригодных для проведения инженерных оценок. При этом следует отметить, что указанные зависимости имеют вид широко используемых, в т.ч. и в гелиотехнике, input-output диаграмм, т.е. соотношений между входными и выходными «сигналами» системы, рассматриваемой как «черный ящик». В нашем случае входным «сигналом» служит наиболее существенный климатический параметр — среднедневная сумма солнечного излучения за рассматриваемый период года, выходным — удельное число дней, в которые температура воды в баке-аккумуляторе СВУ не ниже контрольного значения. Не останавливаясь на подробностях математической процедуры обработки данных, представим конечный результат — основу инженерной методики оценки эффективности СВУ. Анализ различных возможностей аппроксимации результатов показал, что наиболее подходящей и простой для практического применения является функция Больцмана с пределами изменения от нуля до единицы: , (1) где X0 — абсцисса точки перегиба (ордината этой точки равна 0,5), dx — постоянная «времени» в функции Больцмана, S/Nmax — среднедневная сумма солнечной радиации за рассматриваемый период года. В результате применения известных методов математической обработки данных было показано, что наилучшая аппроксимация результатов получается при dx = 1,10±0,02 (кВт•ч)/(м2•день). Было также показано, что параметр X0 является функцией от площади солнечного коллектора, которая хорошо аппроксимируется гиперболой , (2) где P2 = 0,54±0,06 м2, а параметр Р1 линейно зависит от контрольной температуры t*. , (3) где Dt = 3°C, B = 0,060; 0,067 и 0,070 для СВУ, работающих круглый год, полгода и три месяца, соответственно. Погрешность использования полученных аппроксимационных соотношений при расчете удельного числа дней лежит в пределах 15–20% в рассмотренном диапазоне изменения параметров СВУ, что вполне приемлемо для инженерных оценок. Кратко предлагаемая инженерная методика сводится к следующим последовательным действиям: 1. Для предполагаемого места создания СВУ с использованием справочных или других источников определяется средняя дневная сумма солнечного излучения на горизонтальную поверхность за предполагаемый период эксплуатации установки: круглый год (Nmax = 365), теплое полугодие (Nmax = 183) или только летняя эксплуатация (Nmax = 92). 2. С учетом продолжительности периода работы установки выбирается значение коэффициента B и по формуле (3) для желаемой контрольной температуры t* вычисляется коэффициент P1. 3. По формуле (2) определяется X0 в зависимости от площади солнечного коллектора. 4. Наконец, по формуле (1) рассчитывается искомое удельное число дней за рассматриваемый период эксплуатации, в которые СВУ будет нагревать воду не ниже, чем до выбранного контрольного уровня температуры. На основе вариантных расчетов потребитель может легко определить подходящую площадь солнечных коллекторов и провести соответствующие экономические оценки. Для этого он должен запросить продавца СВУ о стоимости установки при различных соотношениях между объемом бака и площадью солнечного коллектора и в зависимости от своих потребностей и финансовых возможностей принять решение о приобретении установки, оптимизировав ее конфигурацию исходя из собственных представлений о приемлемых затратах на получение горячей воды. Несмотря на то, что предлагаемая инженерная методика является упрощенной и не учитывает ряд специфических технических и эксплуатационных факторов, влияющих на эффективность использования солнечных водонагревателей, она крайне полезна для приближенных оценок и формирования представления о том, что может дать простейшая солнечная водонагревательная установка в различных климатических условиях. Распределение ресурсов солнечной энергии по территории России Для оценки эффективности использования СВУ разработчики и потенциальные потребители СВУ нуждаются в информации о ресурсах солнечной радиации в различных регионах России в разные периоды года. Получение этой информации сопряжено с рядом технических сложностей, связанных, прежде всего, с тем, что актинометрические наблюдения ведутся лишь на ограниченном числе российских метеостанций, не обеспечивающих полное покрытие территории России. Непросто найти и имеющиеся по нескольким десяткам российских населенных пунктов справочные данные по солнечной радиации, поскольку они опубликованы лишь в специализированных справочниках ограниченным тиражом. Для разрешения этой проблемы в Институте высоких температур РАН ведется работа по составлению атласа распределения поступления солнечной радиации на различным образом ориентированные в пространстве неподвижные поверхности. Описание методик составления соответствующих карт является предметом отдельного рассмотрения. Отметим лишь, что исходной основой для построения карт являются база климатических данных NASA, созданная на базе многолетних спутниковых наблюдений за радиационным балансом поверхности земли, в т.ч. над территорией России, а также данные, опубликованные в многотомном Научно-прикладном справочнике по климату СССР. На рис. 1–3 приведены карты Российской Федерации с распределением среднедневных сумм солнечной радиации на горизонтальной поверхности для различных периодов года (лето, теплое полугодие, весь год), которые могут быть использованы и при проведении расчетов по описанной выше инженерной методике оценки эффективности применения СВУ. Сравнение актинометрических данных базы NASA с данными для конкретных российских метеостанций из Научно-прикладного справочника по климату СССР показало, что максимальная погрешность исходной информации базы NASA равна 15–17%. Величиной этой погрешности и обусловлен выбор величины достоверного шага районирования территории России по среднедневной энергии поступающей на поверхность земли солнечной радиации, составляющего для приведенных карт 0,5 (кВт•ч)/(м2•день). Рассмотрение представленных карт показывает, что различные районы России характеризуются среднегодовым поступлением солнечной энергии на горизонтальную поверхность от 2,5 до 4 (кВт•ч)/(м2•день). Полугодовые (теплый период) и летние показатели естественно оказываются выше и лежат в диапазоне от 3 до 6 (кВт•ч)/(м2•день) и от 3,5 до 6,5 (кВт•ч)/(м2•день) соответственно. Наиболее высокими значениями удельной энергии характеризуются южные районы страны (Северный Кавказ, Приморье, юг Сибири), однако и в других регионах страны ресурсы солнечной энергии достаточно велики. В странах с холодным климатом наибольшее применение находят солнечные водонагревательные установки сезонного действия, т.е. эксплуатируемые лишь в неотопительный период года. Такие установки просты по конструкции, т.к. нет необходимости в использовании незамерзающих жидкостей в качестве теплоносителя и теплообменника для передачи тепла от антифриза к нагреваемой воде. Кроме того, в теплый период года, как это видно из приведенных карт, поступление солнечной радиации на поверхность земли существенно выше, чем в зимнее время, соответственно площадь солнечных коллекторов для нагрева того же количества воды может быть меньше. В итоге стоимость установки снижается, а ее конкурентоспособность по отношению к другим источникам энергии возрастает. Примеры оценки эффективности работы СВУ в различных регионах России Рассмотрим несколько примеров использования предлагаемой инженерной методики оценки эффективности работы СВУ. Оценки проведем для 3 пунктов: Краснодар, Москва и Салехард. Как отмечалось выше, Краснодарский край, представляющий юг России, сегодня является лидером по практическому применению систем солнечного горячего водоснабжения, которыми, прежде всего, оснащаются санаторно-курортные объекты, в которых максимум нагрузки по потреблению горячей воды приходится на летний период в связи с увеличением числа отдыхающих. Здесь солнечные установки эксплуатируются в наиболее благоприятных условиях, поскольку сезонные графики поступления солнечной радиации и потребления нагретой воды хорошо согласуются. В Московском регионе, относящемся к средней полосе России, также имеется довольно большое число потенциальных потребителей солнечных водонагревательных установок. К ним, прежде всего, относятся дачники, владельцы частных домов и др. Особенностью бурно развивающегося частного жилого сектора является то, что дома во многих случаях (там, где нет газопровода) оборудуются индивидуальными мини-котельными, работающими на жидком топливе или на электроэнергии. Эксплуатация этих котельных в неотопительный период лишь для обеспечения относительно небольшой нагрузки горячего водоснабжения неэффективна как по техническим, так и по экономическим причинам. Использование солнечных установок в этих случаях представляется весьма привлекательным. Салехард, расположенный на полярном круге, представляет собой пример северного региона страны. В городе используется централизованная система теплоснабжения от городских котельных. Вместе с тем, в связи с эксплуатацией этой системы в суровых зимних климатических условиях и жесткостью требований к надежности ее работы в отопительный период, здесь имеет место увеличенная продолжительность проведения ремонтных и регламентных работ, которая охватывает практически весь летний период. Таким образом, многие индивидуальные и коллективные потребители оказываются без горячей воды в течение длительного времени или устанавливают дополнительные электрические водонагреватели. Этот сектор также является привлекательным для использования сезонных солнечных установок. Для приведенных пунктов рассмотрим лишь летний период эксплуатации СВУ. По карте рис. 3 определяем, что для Краснодара среднее за этот период поступление солнечной энергии составляет 6–6,5 (кВт•ч)/(м2•день), для Москвы — 4,5–5 (кВт•ч)/(м2•день), для Салехарда — 4–4,5 (кВт•ч)/(м2•день). Для упрощения анализа воспользуемся рис. 4–6 на которых результаты расчетов типичной СВУ с объемом бака 100 л для летнего периода времени по формулам (1–3) представлены в графическом виде как зависимости удельного числа дней от площади солнечных коллекторов при различных уровнях поступления энергии солнечного излучения. Рис. 4 относится к значению контрольной температуры t* = 37°C, рис. 5 — 45°С, рис. 6 — 55°С. С использованием рис. 4 легко определить, что в климатических условиях Краснодара, где летний приход солнечной энергии составляет 5,5–6 (кВт•ч)/(м2•день) типичная СВУ с площадью солнечного коллектора 2 м2 будет нагревать воду не ниже чем до 37°С более 80% летних дней. Та же установка в климатических условиях Московского региона позволит получать теплую воду в течение около 70% летних дней, в условиях Салехарда — около 60%. При этом, как следует из рис. 5 и 6, нагрев воды в Краснодаре выше 45°С будет иметь место более 70% дней, в Москве — более 50% дней и в Салехарде — более 40% дней. Нагрев воды до температуры не ниже 55°С в Краснодаре — более 50% дней, в Москве — более 30%, в Салехарде — более 20%. Рост количества дней нагрева воды в принципе может быть обеспечен за счет увеличения площади солнечных коллекторов. Однако, как это видно из рис. 4–6, данная возможность весьма ограничена: существенное увеличение числа таких дней имеет место лишь при небольших площадях FC, далее кривые выходят на насыщение. Выбор необходимой площади солнечных коллекторов является предметом технико-экономической оптимизации, которая может быть проведена на основе конкретных данных о стоимости оборудования. Вместе с тем, поскольку представленные на рынке солнечные коллекторы имеют типоразмерный ряд кратный 1 м2, в большинстве российских регионов для нагрева около 100 л воды в день целесообразно использовать солнечные коллекторы площадью 2 м2. Оценки с использованием предложенной инженерной методики могут быть сделаны и для полугодового и годового периода эксплуатации СВУ, а также для других районов страны (предоставляем эту возможность для упражнений заинтересовавшимся читателям). В заключение отметим, что выполненный анализ эффективности использования СВУ в различных климатических условиях регионов России ясно свидетельствует о возможности использования солнечной энергии, по крайней мере, для сезонного получения нагретой воды не только в южных районах, но и в средней полосе России и даже на Севере. Экономическая эффективность практического применения СВУ определяется большим числом конкретных обстоятельств, анализ которых для принятия решения об использовании СВУ может быть выполнен самими потенциальными пользователями.