Широкое освоение возобновляемых источников энергии становится всё более актуальным по причинам интенсивного потребления природных ресурсов, ухудшения экологической обстановки и постоянно растущих тарифов. При достаточном выборе в возможных способах альтернативного энергообеспечения солнечная радиация, как повсеместно доступный и неисчерпаемый источник, остаётся на лидирующих позициях как в области теплоснабжения, так и в электроснабжении зданий и сооружений.

В южных регионах Российской Федерации всё бóльшую популярность приобретают установки солнечного горячего водоснабжения. Их часто используют для объектов сезонной эксплуатации, так как обеспечивается полная автономность в получении тепловой энергии. В то же время наблюдается постепенное увеличение количества гелиоустановок севернее, особенно в тех районах, где здания лишены централизованного теплоснабжения в летние месяцы. Это происходит не только в связи с постоянным повышением тарифов на энергоносители и активной пропагандой возобновляемых источников СМИ, но и в результате уже имеющегося достаточно обширного опыта успешной эксплуатации систем солнечного горячего водоснабжения в южных регионах и средней полосе России [1].

Но, несмотря на неуклонный рост количества функционирующих гелиоустановок, показатели замещения в общем энергобалансе, безусловно, остаются на крайне низком уровне. Поэтому для расширения области применения рассмотрим перспективы утилизации солнечной энергии для систем отопления зданий, расположенных в трёх климатических зонах, которые охватывают бóльшую часть территории РФ.

Для возможности сравнения результатов расчётов и вывода удельных показателей примем базовый вариант планировки одноэтажного жилого дома, изображённого на рис. 1. Размеры здания позволяют получить для конкретных регионов удельное количество солнечных коллекторов, требуемых для отопления 100 м² площади пола помещений.

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 1

Выполненные в соответствии со строительными нормами и правилами [2, 3] расчёты наружных ограждений и теплопотерь помещениями позволили определить нагрузку на системы отопления, в том числе и при среднемесячных температурах холодного периода года. Учитывая, что в большинстве регионов отопительный сезон, как правило, начинается в октябре, а заканчивается в апреле, следует для проектирования гелиоустановок предварительно сравнить актинометрические данные (Актинометрические наблюдения — наблюдения над интенсивностью солнечной радиации (прямой, рассеянной, суммарной), а также над эффективным излучением, радиационным балансом и альбедо, проводимые с помощью соответствующих приборов) этих двух месяцев и выбрать из них в качестве расчётного периода с преобладающим поступлением солнечной энергии. Так как интенсивность излучения в большинстве климатических зон РФ в апреле превышает актинометрические показатели октября, то расчёт требуемого оборудования необходимо выполнить при соблюдении условия полной компенсации теплопотерь здания посредством утилизированного излучения в последний месяц отопительного периода. Это позволит сократить срок потребления традиционных ресурсов на обогрев помещений на один-два месяца и снизить расход тепловой энергии за холодный период года, так как при ясной погоде потребуется лишь только догревать до необходимых параметров теплоноситель, поступающий от солнечных коллекторов.

Выполнять подбор оборудования на актинометрические данные других месяцев нецелесообразно по причине возникновения избыточной теплоты в начале и в конце отопительного периода, для сохранения которой с целью последующего использования потребуются дорогостоящие сезонные аккумуляторы.

Определив нагрузку на систему отопления при среднемесячной температуре наружного воздуха в апреле, следует рассчитать суточное количество потребляемого тепла [МДж/сут.]. Используя актинометрические сведения несложно найти для климатических условий района строительства количество поступающей суммарной солнечной радиации на 1 м² горизонтальной поверхности в апреле E [МДж/(м²·день)] за один световой день и определить отношение диффузионной солнечной энергии к прямой Eд/E.

Массив коллекторов можно установить на крыше или на предварительно смонтированном основании, позволяющем расположить поглощающие поверхности с южной ориентацией и с азимутом αп = 0.

Тогда коэффициент пересчёта поступления прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности на наклонную Rп при αп = 0 можно определить по данным [4] либо по формуле [4]:

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 2

где — широта местности, град; δ — склонение солнца, град; ω3 и ω3´— часовые углы захода солнца на горизонтальной и наклонной поверхностях, град.

Отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности, можно рассчитать по формуле [4]:

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 3

где Eд/E — отношение рассеянной солнечной энергии к прямой, поступающей на горизонтальную поверхность, МДж/ (м²·день); β — угол наклона плоского солнечного коллектора к горизонту, принимаемый равным широте местности, град.; ρ — коэффициент отражения для подстилающей поверхности Земли, который принимается для тёплого периода ρ = 0,2, в том числе и для расчётного в рассматриваемой задаче, а для холодного при наличии снежного покрова ρ = 0,7.

Полученное значение R позволит найти искомое среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии [МДж/(м²·день)], поступающей на наклонную поверхность, по выражению:

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 4

Учитывая продолжительность светового дня расчётного периода, то есть в апреле, необходимо найти среднюю плотность потока солнечной радиации [Вт/м²], поступающей на остекление солнечного коллектора:

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 5

где n и m — продолжительность светового дня, соответственно, в часах и минутах.

Для определения потока полезной теплоты, уловленной и преобразованной в коллекторах, следует рассчитать их КПД для нескольких возможных температурных режимов по зависимости [5, 6]:

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 6

где Δt — перепад между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой tв окружающей среды Δt = 0,5(tт.н + tт.к) – tв, °C, здесь tт.н и tт.к — температуры на входе и выходе из коллектора, °C; k1 и k2 — коэффициенты, характеризующие возможные потери теплоты в окружающую среду.

Для расчётов значения параметров в формуле (5) принимают равными [6]:
- для плоских коллекторов η0 = 0,779, k1 = 3,56, k2 = 0,0146;
- для вакуумных коллекторов η0 = 0,7, k1 = 1,33, k2 = 0,0071.

Из зависимости (5) следует, что чем больше разница температур, тем меньше действительный КПД устройств, поэтому гелиосистемы необходимо эксплуатировать в режимах, обеспечивающих Δt < 40 °C. Определив η для нескольких возможных температурных перепадов, целесообразно использовать среднее значение КПД, так как погодные условия часто меняются и могут не соответствовать прогнозируемым показателям.

Зная средний ориентировочный КПД, можно определить требуемую площадь коллекторов:

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 7

где Qн.i — суточная нагрузка на систему отопления в расчётный период, МДж/ (м²·сут.).

Для поставленной задачи поддержания температуры внутреннего воздуха в жилом доме посредством солнечной энергией выберем из широкого диапазона, представленного на рынке оборудования, плоский коллектор российского производства «Сокол», который пользуется большой популярностью и имеет различные модификации в зависимости от мощности и эффективности. Качественное исполнение устройств и селективное покрытие абсорберов повышают конкурентоспособность выпускаемых серий, а низкая цена по сравнению с западноевропейскими аналогами делает привлекательным для российского потребителя.

Выбор именно плоских коллекторов в какой-то мере предопределён по следующим причинам. Они просты в эксплуатации и ремонте, что особенно важно для районов с обильными осадками, часто сопровождающимися выпадением града. Кроме того, вакуумные коллекторы со временем теряют свои высокие показатели КПД в результате постепенного заполнения воздухом.

Для компенсации неравномерности поступлений и хранения утилизированной солнечной энергии необходимо в проектируемых гелиосистемах предусматривать баки-аккумуляторы объёмом, рекомендуемым в [4, 5] в соотношении 0,05–0,1 м³ на 1 м² площади коллекторов.

Солнечное отопление зданий при условии сокращения периода потребления традиционных ресурсов . 8/2017. Фото 8

Результаты расчётов, выполненные по зависимостям (1)–(6), показали (рис. 2), что в трёх климатических зонах потребуется для городов: Астрахань — 14 шт. коллекторов, Благовещенск — 11 шт., Вологда — 30 шт., Воронеж — 14 шт., Краснодар — 9 шт., Москва — 17 шт.

Следует отметить, что подбор оборудования на полное покрытие месячной нагрузки системы отопления в начале или конце отопительного периода позволяет не только полностью отказаться в этот временной интервал от традиционных ресурсов, но и замещать их с достаточно высокими показателями при низких температурах наружного воздуха и ясных погодных условиях.

Отличительной особенностью от рекомендаций по проектированию [4, 5], где предварительно определяется коэффициент замещения традиционного источника, является подбор оборудования на среднемесячную нагрузку системы отопления в начале или конце отопительного периода, а затем при необходимости выполняется прогнозирование компенсации нагрузок посредством утилизированной солнечной энергией за весь сезон потребления. Это позволяет избежать генерации невостребованной избыточной теплоты, которая потребует значительных дополнительных средств для устройств длительной аккумуляции.