Комбинированная солнечно- электрическая система теплоснабжения

Из-за наличия большого количества атомных электростанций (на территории Украины, а также и России*) существенно выросла установленная мощность энергетического оборудования, которое работает в базисном режиме. При значительной суточной неравномерности электропотребления это вызывает необходимость внедрения ряда мероприятий по обеспечению постоянного режима электроэнергетической системы. В связи с этим становятся актуальными разработки систем теплоаккумулирующего электротеплоснабжения, которые аккумулируют энергию в часы провалов в графиках электрических нагрузок. В ряду первоочередных задач главное место занимает внедрение систем теплоснабжения с применением возобновляемых источников энергии. Если еще несколько лет назад благодаря низким ценам на энергоресурсы не было необходимости экономить тепло, то сегодня расточительность в этом вопросе оказывает большое влияние на затраты и заставляет задуматься об энергоэффективности. С целью круглогодичного и круглосуточного использования установленного энергетического оборудования и увеличения объема экономии топливно-энергетических ресурсов чрезвычайно перспективной в настоящее время является разработка и внедрение комбинированных солнечно-электрических систем теплоснабжения (КСЭС).Инициаторы проекта пришли к заключению, что нелегко убедить заказчика (потребителя) в необходимости энергосбережения, т.к. это обычно требует дополнительных затрат. Даже если эти затраты окупятся в течение 10 лет, потребителю это кажется слишком долгим сроком. В связи с этим применен новый подход: речь идет не только об экономии энергии, но и об экологическом и социальном аспектах, их влиянии на окружающую среду, т.е. так называемом жизнеподдерживающем факторе. Известно много вариантов организации внедрения солнечно-электрического теплоснабжения. Один из них— использование электроэнергии в часы провалов нагрузок на энергосистему, а также применение льготных тарифов в ночные часы (40%).Такая система позволяет снизить стоимость внедрения системы для конкретного потребителя и затраты на ее эксплуатацию. Комбинирование с использованием энергии солнца повышает эффективность внедрения. Отличие предлагаемой системы заключается в эффективности применения двух взаимосвязанных источников теплоснабжения. Внедрение систем круглогодичного децентрализированного комбинированного солнечного теплоснабжения зданий и сооружений позволит решить следующие задачи: ❏ использование электроэнергии в ночные часы для нужд теплоснабжения улучшает работу энергосистемы в ночном провале нагрузок энергосистемы; ❏ покрытие 15–20% дефицита топлива за счет внедрения возобновляемых источников энергии; ❏ внедрение высокоэффективных автономных источников теплоснабжения обеспечит сокращение потребления топлива на 30–40%, а снижение капитальных затрат на восстановление теплоснабжения объекта— более чем в два раза (отпадает необходимость восстановления сетей теплоснабжения). При проектировании КСЭС должны учитываться местные климатические условия, которые содействуют повышению комфортности здания и уменьшению нагрузки на теплоснабжение. Целесообразно взять для внедрения объект, который имеет бассейн (для учета значительных преимуществ и особенностей солнечного теплоснабжения). Основными мотивами инициирования проекта были: ❏ рост цен на энергоресурсы; ❏ чрезмерные бюджетные затраты на тепловую энергию и задолженность бюджетных учреждений поставщикам тепла; ❏ особенности эксплуатации зданий, которые позволяют снизить тепловую нагрузку в нерабочее время и выходные дни; ❏ дефицит теплогенерирующих мощностей и недостаточное качество услуг по теплоснабжению; ❏ нерентабельное использование тепловой энергии. Реализация проекта будет иметь положительное влияние на окружающую среду благодаря снижению выбросов вредных веществ в атмосферу, вследствие сокращения потребления тепла в зданиях и соответствующего снижения использования топлива теплогенерующими мощностями. Система КСЭС предназначена для обеспечения учреждения (здания) отоплением, горячим водоснабжением, а также подогревом воды в бассейне. В качестве примера рассмотрим здание детского сада с отопительной площадью 1300 м², построенного по типовому проекту в 1975 г. (в Киеве таких строений насчитывается около 300 шт.) со следующими параметрами теплоснабжения: ❏ нагрузка на отопление— 0,100 Гкал/ч; ❏ нагрузка на ГВС— 0,175 Гкал/ч; ❏ нагрузка на подогрев бассейна— 0,120 Гкал/ч. Особенность таких объектов— необходимость в напольном отоплении детского учреждения, а также значительная нагрузка на ГВС и подогрев бассейна. Для такого типа объектов экономически нецелесообразным является внедрение воздушного электроаккумулирующего отопления (оставив систему ГВС и подогрев бассейна без реконструкции), т.к. в дневные часы потребление электроэнергии на нужды ГВС и подогрев бассейна рассчитывается по максимальному (100%) тарифу. Предложенное техническое решение состоит в следующем.В существующем теплопункте здания устанавливается электрокотел, комбинированный буфер-накопитель; на кровле— солнечные коллекторы (гелиосистема). Площадь гелиосистемы зависит от нагрузок на подогрев воды, потребности ГВС и подогрев бассейна, а также от климатических данных и месторасположения объекта. Существующая система отопления не реконструируется, а подключается непосредственно к буферу-накопителю. Существующая система ГВС также не подлежит реконструкции. Исходя из расчетов для покрытия тепловых нагрузок и экономии энергоносителей, необходимо следующее базовое оборудование: ❏ солнечный коллектор (5 шт.); ❏ комбинированный буфер-накопитель емкостью 700 л (1 шт.); ❏ электрокотел мощностью 45 кВт (1 шт.). Краткая техническая характеристика солнечных коллекторов, которые задействованны в системе: ❏ КПД — 84%; ❏ коэффициенты тепловых потерь: К1 = 3,36 Вт/(м²•К), К2 = 0,013 Вт/(м²•К); ❏ теплоемкость коллектора— 6,4 кДж/(м²•К); ❏ масса коллектора — 60 кг, объем теплоносителя— 2,2 л. При интенсивности солнечной радиации 1000 Вт и отсутствии отбора теплоносителя температура солнечного коллектора составляет 211°С.Солнечные коллекторы устанавливаются на крыше здания, одна из сторон которого ориентирована на юг. Главный компонент солнечного коллектора — медный поглотитель с гелиотитановым покрытием— обеспечивает высокий уровень поглощения солнечной энергии и характеризуется незначительным уровнем тепловых потерь. На поглотителе установлена медная трубка, через которую протекает теплоноситель. Теплоноситель через медную трубку отбирает тепло от поглотителя, который защищен корпусом коллектора (с усиленной теплоизоляцией), тем самым обеспечиваются минимальные потери тепла коллектора. Коллектор покрыт гелиостеклом с низким составом железа, что позволяет снизить потери тепла в окружающую среду (рис. 1). Расчет предложенной комбинированной солнечно-электрической системы теплоснабженияпроведен с учетом следующих технических характеристик: ❏ солнечных коллекторов; ❏ электрокотла; ❏ интенсивности солнечной радиации для проектируемой местности (φ= 50° северной широты, климатических условий Киева); ❏ ориентации солнечных коллекторов; ❏ сезонности использования коллекторов; ❏ системы автоматизации (контроллеры в комплекте с датчиками температуры и пусковым оборудованием, которые контролируют параметры и управляют работой котла и солнечных коллекторов). КСЭС теплоснабжения функционирует в автоматическом режиме и после наладки не требует вмешательства в ее работу (рис. 2). Она работает следующим образом.Учитывая, что имеющаяся система теплоснабжения имеет три режима эксплуатации (режим накопления тепловой энергии, рабочий режим и «экономичный» режим), то с целью снижения потребления энергоносителей по заданному на контроллере алгоритму построены режимы накопления и расхода тепловой энергии на потребности отопления и ГВС.Накопление тепла в буфере-накопителе (БН) происходит от двух источников теплоснабжения: гелиосистемы и котла. 1. Тепловая энергия в БН 3 накапливается с помощью солнечной энергии. Если разница температур, регистрируемая датчиком температуры солнечного коллектора 14 и датчиком температуры 12, расположенным в нижней части БН 3, превышает установленную на контроллере температуру, то включается циркуляционный насос гелиоконтура 13 и происходит накопление тепла в БН 3.Отключение гелиосистемы происходит при достижении температуры, которая измеряется датчиком температуры 12, установленным на контроллере значения (меньше половины гистерезиза). 2. Котел 1 включается по таймеру в часы провалов в тарифах на электроэнергию в случае, если температура, которая измеряется датчиком температуры 4 БН 3,ниже установленной на контроллере, при этом включается насос 5. Контроллер переводит переключающий клапан 10 в положение «АВ–В».Отключение котла 1 происходит, когда температура, которая измеряется датчиком температуры 4 БН 3,достигнет установленной контроллером температуры. Эта температура отвечает отопительному графику, при этом постоянно контролируется температура окружающей среды датчиком температуры 15.Отопительный график на контроллере необходимо установить в соответствии с максимальной температурой БН 3. Если температура, которая измеряется верхним накладным датчиком 4, выше заданного контроллером значения температуры (нагрев БН 3 солнечной установкой достаточен), котел 1 не включается. В этом случае система отопления обеспечивается теплом через насос контура отопления 8 от БН 3.Котел 1 включается снова только тогда, когда температура верхнего датчика 4 БН 3 опускается ниже заданного значения и только по сигналу таймера. Таймер запрограммирован на периоды включения котла 1 с 23 до 7 ч и с 11 до 19 ч. Система отопления. При необходимости отбор тепла для системы отопления по сигналу датчика температуры 11 происходит от БН 3. При этом включается насос 8.На отопительные приборы тепло поступает от БН 3, а котел 1 и насос 5 отключены.Регулирование температуры теплоносителя в системе отопления обеспечивается с помощью погодозависимого регулирования и запрограммированных условий эксплуатации системы отопления (комфортный или экономичный режимы). Эти режимы запрограммированы на контроллере (рабочие часы, выходные и праздничные дни).При недостаточной температуре теплоносителя в системе отопления по соответствующему алгоритму включается котел 1 — происходит одновременно и отбор тепла, и его накопление в БН3. Горячее водоснабжение. Отбор тепла на нужды ГВС происходит от БН 3. Нормативная температура обеспечивается гелиосистемой и котлом 1.Таким образом, система автоматизации выполняет в соответствии с программой оптимизационную задачу максимального использования энергии солнца для теплоснабжения здания. Экономическое обоснование внедрения КСЭС теплоснабжения приведено в табл. 1. Срок окупаемости рассчитывается как разность стоимости внедрения предложенной схемы и стоимости работ на восстановление централизованного теплоснабжения делится на разность стоимости потребления энергоносителей базового варианта и предложенной схемы. Принятое решение со сроком окупаемости 3,68 лет позволяет рассматривать рассматриваемое здание как энергоэффективное.

* В соответствии с утвержденной в октябре 2006 г. правительством РФ Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007–2010 гг. и на перспективу до 2015 г.», к 2015 г. в России будет введено в эксплуатацию 10 новых энергоблоков АЭС общей установленной мощностью 9,8 ГВт; общая установленная мощность АЭС составит 33 ГВт; доля электроэнергии, производимой АЭС, составит 18,6% общего объема производства электроэнергии в РФ; снижение эксплуатационных расходов из расчета на 1 кВт/ч составит 80% к уровню 2006 г.; сокращение удельных капвложений на 1 кВт вводимой мощности при строительстве энергоблоков АЭС составит 90% к уровню 2007 г.