Альтернативные технологии для нагрева бытовой воды.
Опыт Италии

Среди источников энергии, используемых для нагрева бытовой воды, наибольшей популярностью пользуется природный газ. Его годовое потребление в составляет 2 млрд м³ (в стандартных условиях: температура 15 ˚С, давление 101,325 кПа), которые вполне можно сократить за счет использования солнечной энергии на всей территории страны.

Рассматриваемые системы:

• гелиосистема, работающая совместно с традиционной системой в качестве вспомогательной;
• теплонасосная установка, предназначенная исключительно для приготовления горячей воды;
• комбинированная – гелиосистемы со встроенным тепловым насосом.

При этом под традиционной подразумевается система, где в качестве нагревающего элемента применяется либо водогрейный котел, работающий на природном газе или дизельном топливе, либо электрический нагреватель, встроенный в накопительный резервуар.

Моделирование проводилось с учетом нагрева бытовой воды для жилых помещений, где проживают 3, 5, 7 и 10 человек из расчета потребления горячей воды 60 л в сутки на человека. Температура на выходе из системы нагрева – 45 ˚С, на входе – 13 ˚С.

Суточная динамика потребления показана на рис. 1.

Рисунок 1. Суточная динамика потребления горячей воды на душу населения

Рисунок 2. Кривая производительности используемого коллектора

Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы относятся к плоскому типу, имеющему в основе плоскую пластину (рабочая поверхность отдельного коллектора составляет 1,86 м²). Эффективность коллектора рассчитывается по формуле:

η = η₀ – a₁T* – a₂G*T*²,

где η₀, a₁, a₂– параметры, значения которых приведены на рис. 2, вместе с кривыми эффективности предоставляются заводом-изготовителем и рассчитываются в ходе лабораторных испытаний при номинальном значении солнечного излучения G* = 800 Вт/м²;
Т* – «понижение температуры», определяется как отношение: (t_m – t_a)/G*,
где t_m– средняя температура теплоносителя в коллекторе.

Во всех вариантах в качестве значения отражательной способности (альбедо) окружающих поверхностей принималось 0,27. Коллекторы обращены на юг (азимут 0˚), угол наклона к горизонтальной плоскости 30˚. Гелиоустановка включала накопительный бак объемом 150, 180, 220 и 300 л – по фактическому числу жильцов и тепловой нагрузке.

Теплообменники

При моделировании рассматривались теплообменники спирального типа. Размер и поверхность теплообмена варьируются в зависимости от объема накопительного бака.

Тепловой насос

Характеристики тепловых насосов, применяемых исключительно для нагрева бытовой воды и участвующих в проведенном анализе, приведены в табл. 1.

Схемы моделирования

Общая конфигурация моделей представлена на рис. 3, где под красным квадратом в различных вариантах подразумевается конкретная рассматриваемая система подогрева воды.

Рисунок 3 (подробнее)   Общая конфигурация моделирования на основе рассматриваемых систем для нагрева бытовой воды

Гелиоустановка

Основными элементами схемы являются тепловой коллектор, накопительный резервуар, циркуляционный насос и система управления. Объемный расход теплоносителя в гелиосистеме определялся с учетом тепловой стратификации жидкости в накопительном баке (с низкой интенсивностью перемешивания потоков холодной и горячей воды) в целях повышения общей эффективности.

Тепловой насос

В состав схемы входят накопительный бак, циркуляционный насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости-теплоносителя, контроллер, обеспечивающий, как и в предыдущем случае, общее управление. При моделировании принимались во внимание только рабочие характеристики на входе и выходе теплового насоса: на входе – температура воздуха и температура воды, а на выходе – тепловая энергия, передаваемая тепловым насосом воде, а также потребляемая электрическая мощность и коэффициент преобразования энергии.

Управление работой теплового насоса осуществляется в режиме «вкл./выкл.», т.е. машина включается всякий раз, когда температура жидкости в накопительном баке опускается ниже установленного значения.

Комбинированная система

Модель представляется более сложной по сравнению с предыдущими и требует некоторых пояснений. Системы гелиоустановки и теплового насоса являются независимыми и управляются отдельными контроллерами посредством управляющих функций, обозначенных черной пунктирной линией (рис. 4).

Обе системы, равно как оборудование, входящее в их состав, функционируют как бы независимо друг от друга.

В режиме работы обе системы работают параллельно в соответствии с конфигурацией, приведенной на рис. 5. В этом случае гелиоустановка обеспечивает базовую нагрузку, требующуюся для покрытия суточной потребности в горячей воде, а оставшуюся часть необходимого тепла вырабатывает тепловой насос. При такой организации тепловой насос, как правило, включается в ночные часы, обеспечивая подачу в накопительный бак воды, нагретой до необходимой температуры и используемой в утренние часы нового дня, когда солнечный коллектор по объективным причинам не в состоянии работать с полной нагрузкой.

Поскольку тепловой насос справляется с пиковыми нагрузками, то никакой дополнительной системы нагрева воды не требуется.

Управление и регулировка данной системы выполняется коммутатором (рис. 4).

Рисунок 4 (подробнее)   Схема комбинированной системы

Сравнительный анализ

Общая оценка экономической целесообразности использования рассматриваемых альтернативных технологий в сравнении с традиционными системами нагрева бытовой воды проводилась путем расчета определенного набора эксплуатационных показателей, например, фактической стоимости используемой установки, срока окупаемости (РВТ) и стоимость выработки 1 кВт·ч.

Сравнение экономических показателей рассмотренных трех альтернативных систем нагрева бытовой воды с показателями традиционных нагревательных котлов, работающих на газовом топливе (природный газ), показало, что все рассматриваемые модели обеспечивают существенный экономический эффект (рис. 6). Гелиосистемы имеют явное преимущество перед остальными вариантами. Например, срок окупаемости капиталовложений для гелиоустановки составляет от 6 до 8 лет. Для тепловых насосов период окупаемости значительно больше, особенно при малом числе пользователей.

Рисунок 5. Конфигурация системы с солнечными коллекторами и тепловым насосом

Рисунок 6. Сравнение стоимости 1 кВт·ч альтернативных систем с параметрами котлов, работающих на природном газе

Аналогичный анализ применительно к водонагревателям, работающим на сжиженном нефтяном газе, несколько меняет картину, поскольку стоимость попутного газа по сравнению с природным значительно выше, а это увеличивает стоимость выработки 1 кВт·ч. Более высокая стоимость топлива у традиционных систем нагрева воды ведет к росту эксплуатационных расходов и более значительному снижению затрат при переходе на технологии, использующие возобновляемые источники энергии. Соответственно, по сравнению с газовым котлом у гелиосистем показатель VAN выше, а срок окупаемости при одинаковой гибридной системе – короче.

Стоимость вырабатываемой энергии в системах, где не используется газ (т.е. тепловые насосы и солнечные коллекторы интегрируются с электрическими водонагревателями), остается неизменной, но там, где гелиосистемы интегрируются с газовыми котлами, увеличивается.

Анализ срока окупаемости показывает, что при низкой нагрузке (до 6 чел.) у гелиоустановок экономические показатели лучше. На объектах с числом пользователей свыше 6 у систем на основе тепловых насосов ниже сроки окупаемости (менее трех лет).

Наихудшие экономические показатели получены для комбинированных систем, главным образом из-за высоких первоначальных капиталовложений.

Выводы

Анализ экономических показателей, полученных при моделировании ситуаций, показывает, что все три технологии позволяют получить значительную экономию по сравнению с традиционными системами нагрева бытовой воды. В целом гелиоустановки представляются наиболее привлекательными для обеспечения нагрева бытовой воды среди рассматриваемых вариантов. Использование тепловых насосов, имеющих более длительный период окупаемости, представляется целесообразным в случаях, когда в силу объективных причин использование гелиоустановки невозможно. Гелиосистемы, комбинированные с тепловыми насосами, в силу высоких первоначальных капиталовложений менее привлекательны.

Перепечатано с сокращениями.
F. V. Caredda, N. Mandas «Solare termico e acqua calda sanitaria», RCI, № 9/2010.