Показатели солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России

О. С. Попель, С. Е. Фрид, Институт высоких температур РАН

Использование повсеместно доступной и экологически чистой солнечной энергии в первую очередь для горячего водоснабжения индивидуальных и коллективных пользователей является одной из перспективных, простых, технически подготовленных и в ряде случаев уже сегодня экономически эффективных технологий использования возобновляемых источников энергии. Определенный прогресс в использовании солнечных водонагревательных установок имеется в Краснодарском крае [1] и в Ростовской области [2], где ежегодно вводится в эксплуатацию несколько тысяч квадратных метров солнечных коллекторов. Растет интерес к использованию СВУ в других регионах страны, в том числе расположенных в более высоких широтах.

Расширение рынка СВУ во многом зависит от информированности потенциального покупателя о достоинствах и технических возможностях предлагаемых новых технологий. Покупателя СВУ наряду со стоимостными показателями, сроком службы, надежностью в эксплуатации в первую очередь интересует вопрос «сколько воды и до какой температуры нагреет предлагаемая ему установка». Сколько дней летом, весной, осенью и, возможно, зимой приобретаемая установка гарантированно обеспечит получение горячей (или хотя бы теплой) воды в реальных климатических условиях места ее использования?

Существующие традиционные методы оценки эффективности СВУ, базирующиеся на упрощенных методах расчета усредненных энергетических балансов, прямого ответа на эти важные для потребителя вопросы, как правило, не дают.

Авторами предпринята попытка дать ясные ответы на поставленные выше вопросы. Предложен подход к оценке эффективности использования СВУ на основе определения количества дней в определенный период года (месяц, квартал, полугодие, весь год), в которые типичная солнечная установка обеспечит нагрев воды в баке не ниже, чем до контрольной температуры (37, 45, 55°С).

В предыдущей публикации [3] на примере работы СВУ в климатических условиях Москвы более или менее подробно изложена процедура расчета показателей установки. Поэтому остановимся кратко лишь на основных принципиальных положениях, использованных в данной работе и требующих дополнительных пояснений.

Типичная СВУ

Использованный выше термин «типичная СВУ» нуждается в пояснении.

В настоящее время в России рынок СВУ в основном представлен несколькими российскими, украинскими и грузинскими производителями. Имеется множество предложений со стороны западных компаний. В основном это установки на базе плоских солнечных коллекторов с металлическими теплопоглощающими панелями и однослойным прозрачным ограждением. Для дальнейшего анализа важно подчеркнуть, что практически все солнечные коллекторы указанной конструкции имеют близкие показатели, важные для оценки их теплотехнического совершенства:

- коэффициент тепловых потерь в расчете на 1 м² поверхности – 5,5–7,0 Вт/(м²•К);

- приведенный оптический КПД – 0,78–0,8.

Для типичной СВУ коэффициент тепловых потерь принят равным 7,0 Вт/(м²•К), а оптический КПД – 0,8. Предполагается, что рассматриваемая в данной работе типичная СВУ селективного оптического покрытия тепловоспринимающей панели не имеет. Выбор максимального значения коэффициента тепловых потерь обусловлен соображениями обеспечения запаса при проведении оценок эффективности СВУ. Важно отметить, что использование солнечных коллекторов с меньшими, чем в типичной СВУ, тепловыми потерями, также как и с селективными покрытиями, приведет только к повышению их теплопроизводительности, и, следовательно, приведенные ниже результаты анализа можно рассматривать как оценку эффективности работы СВУ «снизу».

В типичной СВУ солнечный коллектор считается ориентированным на юг. Угол наклона коллектора к горизонту выбирался близким по значению широте местности и округлялся в меньшую сторону до целого значения градусов, кратного 5; например, для Москвы с широтой около 560, угол наклона коллектора принимался равным 550.

Помимо характеристик солнечного коллектора, другими важными показателями типичной СВУ являются ее расчетная производительность по нагреваемой воде (расчетный объем потребляемой нагретой воды в сутки V_сут), объем бака-аккумулятора V_ак, режимные показатели (расход воды в контуре СВУ, график разбора воды к потребителю) и некоторые другие.

Типичная установка предусматривает суточную производительность V_сут = 100 л/сут. В соответствии с имеющимся опытом этого достаточно для обеспечения умеренных суточных бытовых потребностей 2–3 человек в теплой воде. Увеличение расчетного суточного потребления воды может быть удовлетворено путем пропорционального увеличения площади солнечных коллекторов и объема бака-аккумулятора (масштабный фактор). С помощью масштабного фактора полученные в данной работе для типичной СВУ результаты могут быть использованы для более крупных установок.

Площадь солнечных коллекторов. Для рассматриваемой СВУ – это параметр, изменяющийся в диапазоне 1–3 м². Как правило, в характерных для большинства районов России климатических условиях для нагрева в сутки 100 л большей чем 3 м² площади солнечного коллектора не требуется и экономически не обосновано.

Объем бака-аккумулятора. Выполненный комплекс расчетных исследований показал, что в диапазоне соотношения площади солнечного коллектора к суточному объему потребляемой воды Fск/V_сут = 1/100 – 3/100 м²/л оптимальный объем бака-аккумулятора равен суточному объему потребления воды (V_ак = V_сут). Данное утверждение требует специального рассмотрения, однако здесь мы приведем лишь качественные рассуждения. С одной стороны, увеличение объема бака-аккумулятора приводит к повышению КПД СВУ, т. к. средняя за сутки температура воды на входе в солнечный коллектор понижается. С другой стороны, при заданной площади солнечного коллектора увеличение объема нагреваемой в баке воды требует большего подвода тепловой энергии для того, чтобы нагреть воду до той же температуры. Расчеты показывают, что в рассмотренном диапазоне изменения параметров повышение КПД коллектора не обеспечивает нужного увеличения подвода тепловой энергии на нагрев воды. В результате максимальное количество дней с выбранными значениями контрольных температур нагрева воды соответствует случаю V_ак/V_сут = 1. Вода в баке-аккумуляторе предполагается полностью перемешанной, температурная стратификация по высоте бака не учитывается.

Нельзя не отметить, что в принятом подходе не рассматривается случай длительного аккумулирования тепла в баке-аккумуляторе (от нескольких суток до недель и даже месяцев). Системы длительного хранения тепла позволяют сгладить влияние суточных колебаний в поступлении солнечной энергии на поверхность земли и повысить надежность горячего водоснабжения. Однако такие системы требуют существенного увеличения площади солнечных коллекторов в расчете на среднесуточное потребление воды (более 5–7 м² на 100 л воды). Расчеты показывают, что для таких систем оптимальный объем бака-аккумулятора, естественно, превышает объем суточного водопотребления. Исследование таких систем является предметом отдельного анализа.

Режимные параметры. Для типичной СВУ предполагается, что расход воды через солнечный коллектор равен 50 л/(м²•ч). Он может быть обеспечен как с помощью циркуляционного насоса, так и в хорошо спроектированных установках за счет естественной циркуляции воды. Выбор данного (оптимального для СВУ) значения удельного расхода обусловлен следующими соображениями. Увеличение удельного расхода более 50 л/(м²•ч), как это показано в [4], не приводит к заметному увеличению КПД солнечного коллектора, но сопряжено с увеличением мощности и соответственно стоимости насоса или с необходимостью неоправданного подъема бака-аккумулятора над солнечным коллектором для обеспечения соответствующей интенсивности естественной циркуляции воды в контуре.

Предполагается, что типичная СВУ снабжена минимальным набором средств автоматики, обеспечивающим прекращение циркуляции воды через солнечный коллектор в случае, если вода в нем будет не нагреваться, а охлаждаться (ночное время, недостаточная мощность потока солнечного излучения и т. п.).

Бак и трубопроводы считаются хорошо теплоизолированными, и тепловыми потерями в них пренебрегается.

Для упрощения анализа предполагается, что нагретая в СВУ вода используется полностью лишь после захода солнца.

В течение дня отбор воды не осуществляется. Ясно, что любой дневной отбор теплой воды (с замещением отобранного объема холодной водой) увеличит КПД установки, поскольку средняя температура воды на входе в солнечный коллектор уменьшится. Таким образом, принятое предположение также обеспечивает оценку эффективности работы СВУ «снизу». После слива теплой воды установка заполняется холодной водой, температура которой принята равной 10°С, что в большинстве случаев соответствует реальной температуре городской водопроводной воды. В дачных условиях использования СВУ в летнее время температура воды в местном водопроводе обычно бывает выше 10°С. В этом случае полученные при моделировании результаты также следует рассматривать как минимальные.

Итак, при выборе конструкции и обосновании выбора режимов функционирования типичной СВУ авторы исходили из соображений получения максимально реальных и гарантированных результатов моделирования. Большинство возможных отклонений при реальной эксплуатации СВУ от принятых типичных условий будет приводить, как правило, к улучшению теоретических показателей.

Математическое моделирование СВУ

Для моделирования работы СВУ использовался программный пакет TRNSYS [5].

В качестве исходной климатической информации использовались климатические данные в формате так называемого типичного метеорологического года (TMY), представляющего собой годовые последовательности часовых данных по солнечному излучению, поступающему на земную поверхность, скорости ветра, температуре и влажности атмосферного воздуха. Типичный метеогод генерировался специальным генератором TRNSYS по известным среднемесячным показателям, широте местности и высоте над уровнем моря. Такая возможность предусмотрена последними версиями TRNSYS. Формирование последовательности климатических параметров в течение каждого отдельного дня года представляет собой некую вероятностную процедуру, предусматривающую ряд физических и балансовых ограничений. Например, суммы солнечного излучения за месяц должны соответствовать заданным среднемесячным суммам, поток солнечного излучения не может превышать максимально возможного потока при ясном небе и т. п. Изменение температуры, влажности наружного воздуха и скорости ветра также подчиняется определенным физическим закономерностям и ограничениям.

В данной работе в качестве первичной исходной климатической информации использованы среднемесячные данные по многолетним фактическим наблюдениям на метеостанциях, расположенных на территории Российской Федерации, обобщенные в Справочнике по климату [6]. Обработка справочных данных позволила получить необходимый для генерации типичного года набор среднемесячных параметров для более чем 40 метеостанций России (табл. 1). В дополнение к российским метеостанциям рассматриваются также данные по двум метеостанциям Украины (гг. Киев и Одесса).

Методика моделирования СВУ предусматривает детальный расчет режимных параметров установки в течение каждого из 365 дней типичного года. На каждом шаге динамического моделирования установки контролируется температура воды в баке и фиксируется момент достижения заданных контрольных уровней температуры (время суток и день месяца). В качестве контрольных уровней выбраны температуры воды 37, 45 и 55°С. Выбор этих значений обусловлен следующими соображениями. Вода с температурой 37°С ощущается человеком как теплая. Начиная с этой температуры, вода приобретает потребительскую ценность, она может использоваться для многих бытовых нужд (мытье, стирка и т. п.). Вода с температурой на уровне 45 и 55°С может рассматриваться как горячая. Эти уровни температуры фигурируют в нормативных документах по горячему водоснабжению различных потребителей.

В некоторые дни в зависимости от климатических условий и параметров установки температура воды в СВУ достигает отмеченных контрольных отметок и даже превышает их, в другие дни – нет. Статистическая обработка получаемых результатов позволяет суммировать данные и определять, сколько дней в конкретном месяце и/или в определенный период года температура воды в СВУ превышает контрольные уровни. Методика расчета и обработки информации предусматривает также возможность оценки вероятности часа дня, к которому вода нагреется в СВУ выше контрольного уровня температуры в данном месяце. В данной статье мы остановимся лишь на обсуждении результатов по первой части задачи.

Результаты моделирования работы типичной СВУ и обработки данных

На рис. 1–9 представлены результаты статистической обработки полученных данных в виде зависимостей числа дней в разные периоды года, в которые температура воды в баке типичной СВУ превышает контрольные значения, от суммы солнечного излучения на горизонтальную поверхность за те же периоды времени для метеостанций, перечисленных в таблице. Отдельные рисунки относятся к разным площадям солнечного коллектора типичной СВУ (1, 2 и 3 м²) и к разным периодам года (июнь-август, апрель-сентябрь и весь год). На рисунках выделены 2 российских населенных пункта (Москва и Салехард, расположенный на полярном круге) и 2 украинских (Киев и Одесса), представляющих некоторые характерные точки средней полосы, севера и южной зоны. Видно, что, например, в условиях московского климата в летний период (июнь-август, 92 дня) типичная СВУ с солнечным коллектором площадью 1 м² позволяет нагреть 100 л воды до температуры выше 37°С не менее чем в течение 45 дней, с 2 м² – не менее чем 65 дней, с 3 м² – не менее чем 75 дней. Для южных станций эти показатели существенно лучше. Интересно отметить, что даже для районов Крайнего Севера, к которым относится, например, Салехард, расположенный прямо на полярном круге, СВУ с солнечным коллектором 2 м² в летний период обеспечит получение теплой воды не менее чем в течение 50 дней, с 3 м² – более 60 дней. По приведенным зависимостям несложно получить информацию о вероятности получения нагретой воды с температурой, превышающей выбранные контрольные значения за летний период, за полугодие и за весь год для любого пункта из таблицы, в зависимости от площади солнечного коллектора.

Полученные зависимости позволяют пользователю достаточно просто оценить эффективность применения солнечных водонагревательных установок с точки зрения возможности получения нагретой воды практически для любого региона России, определить период их использования (летний, сезонный, круглогодичный), выбрать потребную площадь солнечных коллекторов (с использованием, если необходимо, масштабного фактора, учитывающего среднесуточные потребности в горячей воде), провести ориентировочные экономические оценки при известной стоимости установок или хотя бы солнечных коллекторов.

Полученные зависимости в большинстве случаев характеризуются относительно небольшим разбросом точек (10–30%), уменьшающимся с ростом величины сумм солнечного излучения. Это обстоятельство позволяет делать соответствующие оценки и для населенных пунктов, не включенных в таблицу, учитывая тот факт, что полученные зависимости числа дней от суммы солнечного излучения для рассмотренных периодов времени носят универсальный характер.

С учетом изложенного проведена аппроксимация полученных результатов с использованием нелинейного метода наименьших квадратов. Результаты аппроксимации представлены в виде следующих математических соотношений:

; (1)

Здесь N – число дней, в которые вода в баке типичной СВУ нагревается выше контрольной температуры; N_max – максимальное (календарное) число дней в рассматриваемом периоде (лето – 92, полгода – 183, год –365); I – сумма солнечного излучения на горизонтальную поверхность за рассматриваемый период времени, кВт•ч/м²; Io и I_max – параметры, являющиеся функцией площади солнечного коллектора и длительности рассматриваемого периода работы типичной СВУ и вычисляемые по соотношению (2) с использованием аппроксимационных коэффициентов, приведенных в табл. 2:

I_o , I_max = а • e^b/Fck, (2)

где Fск – площадь солнечных коллекторов, м².

Выбор вида аппроксимационных зависимостей (1) и (2) обусловлен физическими соображениями. Соотношение (1) представляет собой широко используемую кусочно-линейную зависимость типа «input – output» диаграммы, описывающую интегральные характеристики ряда энергетических устройств: параметр на выходе в зависимости от входного параметра. В данном случае входным параметром является сумма солнечного излучения, выходным – число дней. Из общих соображений ясно, что существует некоторое минимальное пороговое значение суммы солнечного излучения I_o, до которого солнечная установка из-за существующих тепловых потерь и тепловой инерционности не будет обеспечивать нагрев воды до контрольного уровня температуры. Минимальное пороговое значение Io возрастает с ростом выбираемого контрольного значения температуры и уменьшением площади солнечного коллектора. С другой стороны, существует пороговое максимальное значение суммы солнечного излучения Imax, при превышении которого практически в течение каждого календарного дня вода будет нагреваться до выбранного контрольного уровня температуры.

Выбор вида функции (2) зависимости пороговых значений I_o и I_max от площади солнечного коллектора связан с очевидным фактом их асимптотического поведения при уменьшении площади солнечного коллектора (при Fск -> 0 I_o и I_max -> ∞).

Необходимо отметить, что приведенные аппроксимационные коэффициенты справедливы для рассмотренного диапазона изменения площади солнечного коллектора типичной СВУ 1–3 м² и характерного для рассмотренных метеостанций диапазона изменения сумм солнечного излучения (лето – 300–600 кВт•ч/м², теплое полугодие – 500–1000 кВт•ч/м², год – 700–1500 кВт•ч/м²). Погрешность расчета числа дней с использованием полученных соотношений составляет 10–30%, причем меньшая погрешность относится к большим суммам солнечного излучения.

Работа выполнена в рамках проекта 01-02-17317 Российского фонда фундаментальных исследований и Государственного контракта 41.003.11.2919 с Минпромнауки России, а также в рамках научного сотрудничества с Университетом Ольстера (Великобритания). Авторы выражают благодарность доктору техн. наук М. Д. Рабиновичу (Украина) за заинтересованное обсуждение ряда положений настоящего исследования.

Зависимость числа дней, в которые температура воды в баке СВУ превышает контрольные значения, за июнь-август при различной площади солнечного коллектора

Зависимость числа дней, в которые температура воды в баке СВУ превышает контрольные значения, за апрель-сентябрь при различной площади солнечного коллектора

Зависимость числа дней в году, в которые температура воды в баке СВУ превышает контрольные значения, при различной площади солнечного коллектора

Литература

1. Бутузов В. Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае // Энергетическая эффективность. Бюллетень ЦЭНЭФ. 2002. № 34. С. 17–21.
2. Назаров С. М. Перспективы развития энергетики в Ростовской области // Теплоэнергетика. 2001. № 7. С. 10–14.
3. Попель О. С. Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России // Энергосбережение. 2001. № 1. С. 30–33.
4. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1974.
5. Информация с сайта http://sel.me.wisc.edu/TRNSYS/
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
   

125412, Москва, ул. Ижорская, д. 13/19, ИВТ РАН

Тел./факс (095) 484-2374