Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России
Автор: О. С. Попель Институт высоких температур Российской академии наук
АННОТАЦИЯ
На основе математического моделирования простейшей солнечной водонагревательной установки с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показано, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих в период с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м2/100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем 370С составляет 50-90%, до температуры не менее чем 450С – 30-70%, до температуры не менее чем 550С – 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.
ВВЕДЕНИЕ
Возможности использования экологически чистой повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекают все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (энергия Солнца, ветра, биомассы) должны занять заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды.
В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м2. В условиях средней полосы России солнечное излучение «приносит» на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг у.т./м2 в год. Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно «собрать» этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку. Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах.
Плоский солнечный коллектор представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны и боков ящик, внутри которого помещена тепловоспринимающая металлическая или пластиковая панель, окрашенная для лучшего поглощения солнечного излучения в темный цвет (или покрытая специальным оптическим селективным покрытием, хорошо поглощающим относительно коротковолновое солнечное излучение и мало излучающее в инфракрасной области) и закрытая сверху светопрозрачным ограждением (один или два слоя стекла или прозрачного стойкого под воздействием ультрафиолета пластика). Панель является теплообменником, по каналам которого прокачивается нагреваемая вода. Вода направляется в теплоизолированный бак, гидравлически соединенный с солнечным коллектором. За день вода из бака может несколько раз проходить через коллектор, нагреваясь до расчетного уровня температуры, зависящего от соотношения между объемом бака и площадью солнечного коллектора, а также от климатических условий. Циркуляция воды в замкнутом контуре солнечный коллектор-бак-солнечный коллектор может осуществляться принудительно с помощью небольшого циркуляционного насоса или естественным образом за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и нагретой воды. В последнем случае бак должен располагаться выше верхней отметки солнечного коллектора.
В ряде стран солнечные водонагревательные установки стали обычным атрибутом жизни. Так, например, в Израиле горячее водоснабжение 80% всех жилых домов обеспечивается солнечными водонагревателями, что дает экономию более 5% производимой в стране электроэнергии. Многие десятки фирм-производителей различных типов солнечных коллекторов и водонагревательных установок успешно действуют в Европе, Америке, Австралии и других регионах мира. Суммарная площадь установленных в наше время солнечных коллекторов в мире превышает уже 50 млн. квадратных метров, что эквивалентно замещению традиционных источников энергии в объеме примерно 5-7 млн. тонн условного топлива в год.
Пик развития «солнечного» рынка в мире, обусловленный разразившимся энергетическим «кризисом» и резким ростом цен на энергоресурсы, приходится на середину и конец 70-х годов. Во многих странах были приняты специальные государственные программы прямой финансовой, законодательной и информационной поддержки и стимулирования развития технологий использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Говоря о солнечных водонагревателях, можно утверждать, что в настоящее время во многих странах мира технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей солнечным излучением достаточно хорошо отработаны и широко доступны на рынке. Наиболее экономически эффективные сферы применения солнечных водонагревателей в значительной мере уже освоены. Например, в США более 60% частных и общественных плавательных бассейнов обогреваются за счет солнечной энергии (простейшие бесстекольные, без тепловой изоляции, как правило, пластиковые солнечные коллекторы).
В бывшем СССР, несмотря на искусственно устанавливаемые цены на традиционные энергоресурсы, вопросам развития гелиотехники также уделялось определенное внимание со стороны государства. Действовали государственные программы по линии Министерства науки и технической политики, Минтопэнерго. Вместе с тем эти усилия были направлены преимущественно на южные республики (Туркмения, Узбекистан, Грузия, Армения, Украина и др.), где климатические условия, безусловно, являются наиболее благоприятными для использования солнечной энергии. В результате, сегодня в России число действующих солнечных установок весьма ограничено. Тем не менее, за последние годы в России сформировалось около десятка потенциальных производителей солнечных коллекторов и водонагревателей с отработанными на выпуске опытных и мелких партий технологиями их массового производства. Как правило, сегодня это акционерные компании, занимающиеся другими основными видами деятельности. Следует отметить, что, как правило, разработанные российскими производителями солнечные коллекторы отвечают современным техническим требованиям. Они изготавливаются из нержавеющей стали, в ряде случаев имеют селективные покрытия панелей, современную теплоизоляцию. К сожалению, крупных заказов производители не имеют и выпускают установки от случая к случаю, в связи с чем цена на них довольно высокая – в большинстве случаев от 200 до 300 долларов в расчете на 1 м2 площади коллектора. Высокая цена на изделия в сочетании с относительно низкими по сравнению с зарубежными внутренними ценами на топливо резко ограничивает спрос. Ситуация усугубляется также слабой информированностью потенциальных потребителей о возможностях практического использования солнечных установок, их преимуществах. В отличие от ведущих зарубежных стран у нас пока еще отсутствует законодательство, устанавливающее какие-либо льготы для производителей и потребителей экологически чистых энергетических установок. Вместе с тем в связи с тенденцией неуклонного роста цен на топливо и электроэнергию интерес к солнечным водонагревательным установкам растет. В этой ситуации возникает необходимость вновь вернуться к анализу проблемы и предоставить потенциальным потребителям и разработчикам объективную информацию о реальных возможностях использования солнечной энергии. В данной статье мы остановились на анализе эффективности солнечных водонагревателей применительно к климатическим условиям средней полосы России (Москва и московский регион), где по ряду оценок существует наибольший платежеспособный спрос на такие установки (летние кафе, коттеджи, дачи и т. п.). Ясно, что для более южных регионов страны условия использования солнечных водонагревателей будут более благоприятными.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассматривается простейшая солнечная водонагревательная установка с объемом бака 100 л (рис. 1). Бак теплоизолирован. Циркуляция воды в контуре солнечный коллектор-бак может быть естественная или принудительная. На результаты анализа это обстоятельство не оказывает существенного влияния. Основная цель анализа состоит в определении возможности нагрева воды в баке в течение дня до определенной температуры, приемлемой для потребителя, за счет энергии солнечного излучения с учетом реальных климатических условий (интенсивность солнечной радиации, изменяющейся в течение дня, температура наружного воздуха). В качестве контрольных выбраны три уровня температур нагрева воды в баке: 370С (это та температура, при которой вода начинает ощущаться нами как теплая), 45 и 550С. Для бытовых целей (душ, мытье посуды, стирка белья и т. п.), как показывает практический опыт и статистические зарубежные данные, нагрев воды выше 40-450С не требуется.
Рис. 1. Принципиальная схема простейшей СВУ
Площадь солнечного коллектора в проводимых расчетах варьировалась в пределах 1-3 м2. Забегая вперед, отметим, что увеличение площади солнечного коллектора более 3 м2 в расчете на 100-литровый бак приводит к повышению максимальной температуры воды в баке и более раннему в течение дня достижению выбранных контрольных температур, но при этом вероятность ежедневного нагрева воды до требуемой температуры существенно не возрастает. Таким образом, исходя из бытового назначения установки, увеличение площади солнечного коллектора более 3 м2 оказывается нецелесообразным, так как сопряжено с неоправданным увеличением стоимости установки.
Рассматривались три типа солнечных коллекторов: простейший одностекольный солнечный коллектор с неселективным «черным» покрытием, двухстекольный солнечный коллектор с таким же покрытием теплопоглощающей панели и одностекольный коллектор с селективным покрытием.
Моделирование работы солнечной водонагревательной установки осуществлялось с использованием современного мощного программного продукта TRNSYS, разработанного в Висконсинском университете (США) и широко используемого зарубежными научными центрами для моделирования работы солнечных установок.
Для упрощения анализа предполагалось, что ежедневно нагретая вода вечером (после захода солнца) сливается из бака и установка вновь заполняется холодной водой с температурой 100С.
В качестве исходной климатической информации использовался так называемый типичный метеогод (TMY), разработанный с участием ГГО им. Воейкова (Санкт-Петербург) на основе статистической обработки многолетних наблюдений метеостанций Москвы в соответствии с принятой международной методологией. Типичный метеогод включает в себя ежечасную информацию о прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, о температуре воздуха, его влажности и скорости и направлении ветра. Именно наличие такой подробной и достоверной климатической информации позволило впервые выполнить достаточно детальный анализ влияния реальных местных климатических условий на работу солнечных установок.
Целевой функцией проведенного анализа являлось количество дней в каждом месяце, в течение которых вода в баке нагревалась до установленного контрольного уровня температуры.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК
Для того чтобы дать представление о характере моделирования солнечного водонагревателя, на рис. 2 представлены графики изменения суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуры воздуха и температуры воды в баке солнечной установки в течение произвольно выбранных двух последовательных «типичных» дней августа. Приведенные результаты расчета относятся к одностекольному солнечному коллектору без селективного покрытия и отношению его площади к объему бака 2 м2/100 л.
Рис. 2. Пример моделирования работы СВУ в течение двух дней августа
На рисунке горизонтальными линиями отмечены «контрольные» значения температур 37, 45 и 550С. По кривой изменения солнечной радиации видно, что первый день является практически ясным, второй день – с переменной облачностью. Температура воздуха в эти дни изменяется в интервале между 18 и 250С. Температура воды в баке начинает повышаться с восходом солнца, и в первый день вода нагревается от 10 до 370С примерно к 1130, до 450С – к 1230, до 550С – к 2 часам дня. Максимальный нагрев воды в баке (до 650С) имеет место примерно к 15 часам. При моделировании солнечной установки предполагается, что по достижении максимальной температуры циркуляция воды через солнечный коллектор прекращается, и в связи с тем, что бак хорошо теплоизолирован, вода в нем до вечера практически не остывает. В 22 часа горячая вода сливается и бак вновь заполняется холодной водой. В последующий день из-за облачности нагрев воды осуществляется более медленно, чем в первый день, максимальная температура воды в баке достигает лишь 600С. В пасмурные дни, естественно, вода греется слабее и в ряде случаев ее температура не достигает выбранных контрольных значений.
На рис. 3 представлены результаты статистической обработки результатов моделирования работы солнечных водонагревателей в реальных климатических условиях Москвы. В таблице по месяцам года приведено количество дней, в которые температура воды в баке превышает заданные контрольные значения в зависимости от площади коллектора и его типа. Видно, что в период с ноября по февраль в рассмотренном диапазоне расчетных параметров вероятность нагрева воды даже до минимальной контрольной температуры 370С оказывается весьма низкой. Использование солнечных водонагревателей в этот период нецелесообразно. Эффективное использование солнечных водонагревателей возможно лишь в период с марта-апреля по сентябрь. С увеличением удельной площади солнечного коллектора количество дней нагрева воды до приемлемых температур возрастает. Температура воды на уровне не менее 450С при 2-3 м2 солнечного коллектора в летние месяцы достигается в 22-27 случаях. Это означает, что потребитель, имеющий простейшую солнечную водонагревательную установку с площадью солнечного коллектора 2-3 м2 и баком объемом 100 л, летом будет иметь горячую воду с температурой не менее 450С с вероятностью 70-90%. Анализ результатов моделирования показывает также, что в летнее время потребитель будет иметь достаточно нагретую воду уже к середине дня (11-13 часов), а к концу дня с большой вероятностью вода в баке нагреется до 55-600С.
Рис. 3. Годовые характеристики СВУ в зависимости от площади солнечного коллектора и его типа
При выборе типа солнечного коллектора следует иметь в виду, что дополнительное остекление и применение селективного покрытия не приводят к кардинальному повышению теплопроизводительности солнечной установки, но сопряжены со значительным увеличением стоимости солнечной установки.
ВЫВОДЫ
В климатических условиях средней полосы России солнечные водонагревательные установки могут эффективно использоваться различными потребителями в бытовых целях в течение 6-7 месяцев в году (март/апрель – сентябрь).
Для нагрева 100 л воды солнечная установка должна иметь 2-3 м2 солнечных коллекторов. Такая водонагревательная установка в летнее время обеспечит ежедневный нагрев воды до температуры не менее 450С с вероятностью не менее 70-80%.
Как с энергетической, так и с экономической точек зрения для создания бытовых солнечных водонагревателей целесообразно использовать простейшие солнечные коллекторы с одним прозрачным ограждением. Применение селективных покрытий вряд ли целесообразно по экономическим причинам.
Для успешного продвижения солнечных водонагревателей на российский рынок необходима разработка технических решений и применение новых материалов, обеспечивающих при высоком качестве и долговечности снижение стоимости солнечных водонагревателей по крайней мере до 70-100 долларов в расчете на 1 м2 солнечного коллектора.