В России установки солнечного нагрева воды пока не получили широкого применения, что связано с относительно низкими по сравнению с другими странами ценами на энергоносители и недостаточной подготовленностью рынка. Серьезное негативное влияние на развитие солнечной энергетики в России оказал распад СССР, в результате которого ряд научных центров и производителей солнечных установок в Украине, Узбекистане и Туркменистане остались за пределами России. Значительные проблемы связаны также с экономическими преобразованиями, происходившими в России в предыдущие годы, когда какая-либо государственная поддержка работ в области возобновляемых источников энергии была фактически прекращена. Вместе с тем в последние годы в связи с ростом тарифов на энергию и цен на топливо и стремлением потребителей к повышению надежности теплоснабжения за счет создания собственных источников тепловой энергии интерес к использованию солнечных водонагревательных установок резко возрос. Это относится как к южным регионам страны, включая Краснодарский край, Бурятию, Ростовскую область, являющимся лидерами по вводу солнечных установок, так и к средней полосе России и даже к ее северным регионам, где проблемы теплоснабжения автономных потребителей стоят особенно остро. По статистическим данным, в населенных пунктах, не подключенных к централизованным сетям теплоснабжения, сегодня проживает около 20 млн россиян. Все они являются первоочередными потенциальными пользователями солнечных установок. Основные технические проблемы, стоящие на пути широкого практического использования солнечной энергии для тепло- и энергоснабжения, связаны, прежде всего, с относительно низкой плотностью потока энергии (в полдень при ясном небе около 1000 Вт/м2, а в среднем за год для территории России 150–250 Вт/м2), что обуславливает необходимость использования приемников солнечного излучения значительной площади, и его непостоянством во времени, а это требует создания соответствующих аккумуляторов энергии. В конечном счете, несмотря на то, что солнечное излучение само по себе бесплатно, создание систем сбора, преобразования и аккумулирования энергии приводит к необходимости значительных затрат на создание солнечных установок и снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, особенно если последние используют дешевое органическое топливо. Таким образом, основная задача проводимых во многих странах мира, в т.ч. России, исследований и разработок состоит в научном обосновании, разработке и создании таких технологий и оборудования для использования солнечной энергии, которые могли бы найти ниши для экономически эффективного применения в различных сферах народного хозяйства с учетом специфики регионов и конкретных потребителей. Объект анализа В настоящей статье рассматриваются простейшие солнечные водонагревательные установки (СВУ), ориентированные на индивидуальных потребителей с суточным потреблением от 100 до нескольких сот литров горячей воды в сутки. Как правило, 100 л нагретой воды оказывается достаточно для удовлетворения минимальных бытовых потребностей семьи из 2–3 человек. Такие установки сегодня находят наибольшее распространение в мире среди частных пользователей и имеют спрос во многих российских регионах. Принципиальная схема рассматриваемой солнечной установки изображена на рис. 1 (см. стр. 106). Установка включает в себя в качестве основных компонентов солнечный коллектор, водяной бак-аккумулятор и теплоизолированные трубопроводы, обеспечивающие их гидравлическую связь. В дневное время при наличии солнечного излучения вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет естественной или принудительной циркуляции поступает в бак-аккумулятор, откуда вновь направляется в солнечный коллектор для дальнейшего нагрева. Стандартные средства автоматики при недостаточном для нагрева воды в солнечном коллекторе потоке солнечного излучения прекращают циркуляцию воды в контуре и возобновляют ее, если поток солнечного излучения достаточен для нагрева воды. В течение светового дня вода из бака-аккумулятора, как правило, несколько раз проходит через солнечный коллектор, нагреваясь до максимальной температуры во второй половине дня. К потребителю нагретая солнцем вода отбирается из бака-аккумулятора, догреваясь, если это необходимо, до нужной потребителю температуры в резервном проточном нагревателе. Размещение резервного нагревателя за баком-аккумулятором по сравнению с вариантом его размещения внутри бака позволяет повысить эффективность солнечного нагрева воды (повысить КПД солнечного коллектора), поскольку в этом случае вода в солнечном коллекторе нагревается от более низких температур. Показатели эффективности СВУ Традиционным и широко используемым показателем энергетической эффективности использования солнечной энергии для нагрева воды является доля покрытия нагрузки горячего водоснабжения потребителя за счет солнечной энергии (в зарубежной литературе он носит название solar fraction, в отечественной литературе иногда называется коэффициентом замещения) f: , где Qsolar — энергия солнечного излучения, пошедшая на нагрев воды, QS — суммарная энергия, затраченная на нагрев воды до необходимой потребителю температуры, которая в общем случае равна сумме Qsolar и энергии подведенной от резервного нагревателя QРН. Доля покрытия нагрузки f изменяется в диапазоне от 0 до 1. В первом случае нагрев воды осуществляется только от резервного нагревателя, во втором — только за счет солнечной энергии. Важно отметить, что если за счет солнечной энергии вода в баке-аккумуляторе нагревается выше необходимой потребителю температуры (ясный солнечный день и/или чрезмерно большая площадь солнечных коллекторов), то избыток затраченной энергии не учитывается, величина f ограничивается 1. Авторами статьи введен новый показатель эффективности СВУ, который наряду с долей покрытия нагрузки позволяет получить дополнительную информацию о работе СВУ и является более понятным и наглядным для потенциальных пользователей, не всегда разбирающихся в тонкостях энергетического баланса установок. Этот показатель характеризует число дней Nt>t* за определенный период времени (месяц, квартал, полугодие, год), в которые вода в баке-аккумуляторе рассматриваемой СВУ нагревается за счет солнечной энергии до температуры не ниже контрольной (t*). Если рассматриваемый период содержит Nmax календарных дней, то соответствующий удельный показатель имеет вид: . Данный показатель, также как и предыдущий, изменяется в диапазоне от 0 до 1 и информирует пользователя СВУ о том, какую долю дней в интересующем его периоде года солнечная установка обеспечит нагрев воды в баке-аккумуляторе не ниже, чем до контрольной температуры без использования резервного нагревателя. Таким образом, этот показатель применим не только для СВУ с резервным нагревателем, но и для простейших установок, не имеющих резервного нагревателя. В качестве контрольных температур t* целесообразно выбрать такие значения, которые представляют интерес для потребителя. В дальнейшем рассматриваются контрольные значения t* = 37,45 и 55°С. При температуре 37°С вода уже ощущается как теплая, все перечисленные уровни температур имеют потребительскую значимость и присутствуют в нормативных документах по горячему водоснабжению. Методика оценки показателей эффективности СВУ Теоретически показатели эффективности СВУ могут быть оценены на основе моделирования работы солнечных установок в реальных климатических условиях с использованием необходимых характеристик используемого в них оборудования. Такие математические модели разработаны в Институте высоких температур РАН. Подробное их описание не является предметом настоящей статьи. Перечислим лишь их основные особенности. Имитационные модели солнечных установок разработаны с использованием программы динамического моделирования TRNSYS, применяемой большинством ведущих зарубежных научных центров для моделирования систем солнечного теплоснабжения. В качестве исходной климатической информации используются справочные среднемесячные актинометрические данные, а также данные о температуре и влажности воздуха и скорости ветра, на основе которых метеорологические данные с помощью отработанной процедуры генерируются в формате так называемого «типичного метеогода» (TMY), представляющего собой годовые последовательности часовых данных. Таким образом, исходные климатические данные максимально приближены к реальным условиям с учетом суточных, сезонных и погодных изменений параметров климата конкретного места предполагаемой эксплуатации установки. Солнечная установка моделируется поэлементно с обеспечением необходимых информационных связей между элементами, отражающих связи физических параметров, описывающих работу отдельных компонентов установки. Солнечные коллекторы. На рынке имеется широкий выбор солнечных коллекторов различных конструкций (от простейших плоских бесстекольных, применяемых в основном для подогрева воды в плавательных бассейнах, до трубчатых вакуумированных, в т.ч. с оптическими концентраторами, позволяющих получать температуры теплоносителя до 200°С и выше). Для рассматриваемых солнечных водонагревательных установок наиболее широкое применение находят относительно недорогие и простые по конструкции плоские одностекольные солнечные коллекторы. Такие коллекторы выпускаются и рядом российских производителей (Ковровским машиностроительным заводом, НПО «Машиностроение» и др.). Известно, что основными принципиально важными характеристиками солнечных коллекторов, необходимыми для анализа вышеприведенных показателей эффективности СВУ, являются их оптический КПД F?(ta) и приведенный коэффициент тепловых потерь F?UL. Эти характеристики измеряются на специальных стендах в соответствии с существующими международными стандартами и интегрально описывают степень теплотехнического совершенства солнечных коллекторов. В зависимости от особенностей конструкции коллектора параметры его теплотехнического совершенства могут изменяться в довольно широких пределах. На рис. 2 и 3 приведено распределение значений этих параметров для плоских одностекольных солнечных коллекторов различных производителей, испытания которых были проведены в Институте солнечных технологий (Institut fu..r Solartechnik, SPF, Швейцария, примерно 200 образцов). Приведенные ниже результаты относятся к плоским солнечным коллекторам с F?(ta) = 0,7 и F?UL = 3,5 Вт/(м•К), соответствующим типичным представителям солнечных коллекторов, представленных на европейском рынке (максимумы распределений см. на рис. 2 и 3). Характеристики плоских солнечных коллекторов ведущих российских производителей приблизительно соответствуют выбранным данным. Солнечный коллектор СВУ считается ориентированным на юг с углом наклона к горизонту приблизительно равным широте местности. Бак-аккумулятор считается хорошо теплоизолированным, а вода в нем хорошо перемешанной (температурная стратификация отсутствует). Разработаны модели СВУ как с насосной, так и с естественной циркуляцией воды. Вместе с тем теоретические исследования показывают, что показатели эффективности СВУ слабо чувствительны к величине расхода воды в контуре установки, если этот расход превышает 50 л/ч в расчете на 1 м2 площади солнечного коллектора. Увеличение расхода выше этого значения не ведет к существенному повышению эффективности СВУ, и он может быть обеспечен как с помощью циркуляционного насоса, так и (в случае хорошо спроектированной установки) за счет естественной циркуляции (тогда установка оказывается более простой и дешевой). С учетом данного обстоятельства приведенные ниже результаты относятся к СВУ, в которых расход воды в контуре циркуляции соответствует указанному оптимальному значению. Важным фактором при моделировании СВУ является суточный график потребления нагретой воды. В настоящем исследовании для упрощения анализа предполагается, что разбор нагретой воды осуществляется лишь в вечернее время (после захода солнца). К следующему утру бак полностью опорожняется и заполняется водопроводной водой с температурой 10°С. Рассматривается типичная СВУ с объемом бака 100 л. При этом в расчетах площадь солнечного коллектора изменяется в диапазоне от 1 до 4 м2. Полученные результаты могут быть распространены на СВУ с большим объемом бака-аккумулятора с использованием масштабного фактора. Очевидно, что в рассмотренной постановке задачи показатели эффективности СВУ будут одинаковыми для установок с одним и тем же соотношением между объемом бака-аккумулятора и площадью солнечного коллектора (например, 100 л/2 м2 и 200 л/4 м2 и т.п.). Итак, анализ показателей эффективности СВУ базируется на динамическом моделировании рассмотренной типовой установки 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. В выполненных в 2001–2003 гг. исследованиях применительно к климатическим условиям России, а затем и Европы, было установлено, что в рамках сформулированной постановки задачи имеют место универсальные зависимости ранее введенных показателей эффективности СВУ от сумм солнечной радиации, приходящей на поверхность земли, позволяющие создать инженерную методику оценки эффективности СВУ в зависимости от ее конструктивных параметров и климатических условий эксплуатации. В рамках проведенных исследований было рассмотрено более 50 населенных пунктов России и около 150 пунктов в Европе, для которых имелся полный набор необходимых исходных климатических данных. Полученные результаты создали предпосылки для расширения географической зоны анализа на другие континенты. Приведенные ниже данные относятся к 1049 метостанциям, распределенным по частям света следующим образом: Африка — 144, Азия — 158, Антарктида — 10, Австралия и Океания — 45, Северная и Центральная Америка — 404, Южная Америка — 121, Европа — 167. В число этих метеостанций входят соответственно и метеостанции, расположенные в европейской и азиатской частях России. Первичными источниками климатической информации служили база климатических данных Международного центра поддержки решений по возобновляемой энергетике (RETScreen, Канада), содержащая необходимую информацию для более чем 1000 метеостанций по всему миру, а также Научно-прикладной справочник по климату СССР. Результаты моделирования СВУ в различных климатических условиях Некоторые примеры обобщения результатов моделирования СВУ в виде зависимостей удельного числа дней, в которые вода в баке-аккумуляторе рассмотренной установки нагревается не ниже, чем до указанных контрольных температур, от среднедневной суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность за рассматриваемый период года, иллюстрируют рис. 4–6. Рисунки относятся к типичной СВУ с площадью солнечного коллектора 2 м2. Рис. 4 характеризует работу СВУ в течение всего года (365 дней), рис. 5 — в течение теплого полугодия, рис. 6 — в течение летних месяцев. Видно, что, несмотря на определенный разброс расчетных точек, обусловленный особенностями микроклимата различных районов, имеет место явно выраженное расслоение массива точек по контрольным температурам, причем с ростом среднедневной суммы солнечной радиации удельное число дней возрастает, приближаясь к 1. При относительно малых значениях среднедневной энергии солнечной радиации число дней стремится к 0. На рис. 7 представлен пример анализа корреляции между двумя критериями эффективности: удельным числом дней и долей покрытия нагрузки для летнего периода работы СВУ. Видно, что если доля покрытия нагрузки f близка к 1, что достигается, например, путем увеличения площади солнечного коллектора, то и удельное число дней n также близко к единице, т.е. практически во все дни рассматриваемого периода года СВУ нагревает воду не ниже, чем до контрольного уровня температуры. При уменьшении площади солнечного коллектора оба показателя снижаются, причем существует некое пороговое значение доли покрытия, при котором n = 0. Для рассмотренного на рис. 7 случая это пороговое значение соответствует f = 0,4–0,5. Этот факт является исключительно важным с практической точки зрения, поскольку свидетельствует о том, что солнечная установка, имеющая проектную долю покрытия нагрузки за счет солнечной энергии ниже 0,5, без использования резервного нагревателя воду до контрольного уровня температуры нагреть не сможет. Или, с другой стороны, создание СВУ без резервного нагревателя должно быть ориентировано на получение высоких значений доли покрытия, по крайней мере, превышающих 0,5. Комплекс описанных выше расчетных исследований применительно к типовой солнечной водонагревательной установке с объемом бака-аккумулятора 100 л проведен для площади солнечного коллектора изменяющейся в диапазоне от 1 до 4 м2. Полученные данные были статистически обработаны, что позволило получить обобщенные зависимости, составившие основу инженерной методики оценки эффективности работы СВУ в различных климатических условиях. Продолжение следует.