Исследование эффективности применения систем солнечной генерации в условиях Крайнего Севера

Исследование эффективности применения систем солнечной генерации в условиях Крайнего Севера

Исследование эффективности применения систем солнечной генерации в условиях Крайнего Севера

В условиях резко-континентального климата Якутии проблема обеспечения параметров энергоэффективности и надежности систем теплоснабжения приобретает особую проблематичность. Эффективность систем отопления зданий определяется поддержанием в обслуживаемом помещении требуемых параметров микроклимата и эксплуатационными энергетическими затратами. Минимизация расходования энергии на отопление зданий связаны с внедрением энергосберегающих технологий.

В данной статье приводятся результаты натурных наблюдений и мониторинга по эксплуатации солнечных коллекторов на территории Центральной Якутии.

Цель проектирования и строительства энергоэффективных зданий состоит в более эффективном использовании энергоресурсов, затрачиваемых на энергоснабжение здания, путем применения инновационных решений, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения и не изменяют привычного образа жизни. В соответствии с принципами системного анализа целесообразно при проектировании энергоэффективного здания рассматривать две независимые энергетические подсистемы:

·        наружный климат как источник энергии;

·        здание как единая энергетическая система.

Анализ первой подсистемы позволяет вычислить энергетический потенциал наружного климата и определить методы его использования для тепло- и холодоснабжения здания. Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. На территории Якутии широкое распространение элементы солнечной генерации получили приблизительно 4-5 лет назад. В настоящее время реализовано ряд проектов по использованию солнечных коллекторов в системе теплоснабжения зданий и сооружений.

Климат и интенсивность солнечного излучения:

Основные характеристики района исследования представляют собой следующее: температура холодного периода -52 °C; средняя температура отопительного периода -20,9 °C; продолжительность отопительного периода 252 суток.

Известно, что интенсивность солнечной радиации изменяется в широких пределах в зависимости от географического положения и времени года. В данной работе рассматривается период работы солнечного коллектора с февраля по октябрь месяц 2014 года. Так суммарная солнечная радиация за этот период по г. Якутску по данным Якутского управления Гидрометеорологии и контролю за окружающей средой составила 3483,1 МДж/м², из них излучение на горизонтальную поверхность 1929,9 МДж/м²

На рисунке показана диаграмма зависимости интенсивности солнечной радиации от времени года.

При сравнении расчетная величина прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность по данным Е.Г. Малявиной в Астрахани в марте месяце составляет 372 МДж/м², в Москве в октябре месяце равна 145 МДж/м². Таким образом, интенсивность солнечной радиации в Центральной Якутии позволяет внедрять и эксплуатировать солнечные коллектора для систем горячего водоснабжения и отопления.

Опыт проектирования и монтажа

)        В сентябре 2012 года малым инновационным предприятием ООО «Стройкомпозит» сданы в эксплуатацию 3 энергоэффективных индивидуальных жилых дома для работников бюджетной сферы в с. Аппаны Намского района. Типовая проектно-сметная документация жилого дома разработана проектной группой Инженерно-технического института СВФУ.

Для приготовления горячей воды разработана комбинированная система: в холодное время года (сентябрь-апрель) и в пасмурные дни осуществляется от газового котла, с середины апреля до середины сентября месяца используются сезонные солнечные коллекторы малой мощности с прямой теплопередачей. Основными компонентами системы является солнечные коллекторы с 14 вакуумными трубками. Коллектора ориентированы на юг и установлены на треугольных опорах под 45⁰. Имеет встроенный бойлер, Такая система (термосифонная) работает на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. Подача воды осуществляется из накопительной емкости с помощью насоса.

2)      В 2014 году реализованы проекты с использованием круглогодичных солнечных коллекторов с вакуумными трубками:

В городе Вилюйск Вилюйского района запроектирована и установлена система солнечных коллекторов для комбинированного отопления административного жилого дома площадью 200 кв. м. Ориентация коллекторов на юг, угол установки 60⁰

В г. Якутске произведен монтаж солнечного коллектора для системы ГВС производственного помещения ОАО «Сахаэнерго». Ориентация южная, угол наклона установки 45⁰.

В с. Борогонцы Усть-Алданского района запроектирована и смонтирована система солнечных коллекторов для приготовления ГВС в 33-х квартирном жилом доме. Ориентация южная, угол наклона установки 45⁰. Количество установок 21 ед., 630 ед. вакуумных трубок.

В круглогодичных солнечных коллекторах используются вакуумные термотрубки, бак емкостью от 100 литров и выше, со встроенным медным змеевиком для теплообмена с внешним контуром, комплектующие: расширительный бак, циркуляционный насос, группы безопасности, нержавеющие трубы с утеплением K-Flex.

Солнечные коллектора с прямой теплопередачей: невозможно использовать в период отрицательных температур за счет вероятности замерзания жидкости внутри трубок и дальнейшего повреждения прибора. Коллектор работает исключительно без давления (не допускается давление в баке более 0,2 атмосфер), поэтому подключение данного оборудования к магистральному трубопроводу возможно только с использованием регулятора давления или открытого бака с поплавковым механизмом. Для обеспечения необходимого напора (например, для работы сантехнических приборов - кранов, санузла и т.п.), после солнечной водонагревательной установки необходимо поставить гидроаккумулятор (насос с резиновым баком), рассчитанный на работу с горячей водой либо. Также необходима установка фильтров из-за возможности откладывания солей и других загрязнения внутренней поверхности трубок при повышенной жёсткости или загрязненности воды.

Натурные исследования.

В качестве опытного экспериментального участка выбран индивидуальный жилой дом с установленными солнечными коллекторами в г. Якутске.

Общая площадь застройки жилого дома составляет 180,0 м², включая отапливаемую площадь. Здание имеет в плане прямоугольную форму с 2 этажами и пристроенной котельной с гаражом. Фундамент домов ленточный на железобетонном основании. Стеновое ограждение жилых домов состоит из деревянного бруса толщиной 180 мм, с наружной стороны выполнена теплоизоляция минераловатными плитами марки П-75 толщиной 100 мм., с обшивкой деревянными панелями толщиной 25 мм. Наибольшее остекление фасада выполнена в южном и восточном направлении. В данном доме реализована комбинированная система отопления. Функцию основного источника тепловой энергии осуществляет напольный газовый котел Артак 45р, мощностью 45 кВт, дополнительным источником является система солнечных коллекторов. Всего установлено 6 коллекторов, с 180 вакуумными трубками. Установки ориентированы следующим образом: 3 ед. в восточном и 3 ед. на западном направлении.

Эксплуатация и запуск системы отопления в доме осуществляется с 1 декады октября 2013 года. Натурные исследования по оценке эффективности применения солнечных коллекторов проводились с 15 марта по октябрь месяц 2014 года. В данный период проведено 3 цикла измерений.

Для первоначального анализа работы солнечных коллекторов были использованы следующие параметры: t_вых - температура на выходе теплоносителя из коллектора, t_вх - температура на входе теплоносителя в коллектор, дата и время измерений. Запись данных осуществляет контроллер для гелиосистем DeltaSol BX L Resol. Также пользователями жилого дома все данные по работе комбинированной системы фиксировались в журнал наблюдений.

В ходе анализа полученных данных установлено, что наибольший нагрев теплоносителя в коллекторе происходит в весенний и осенний периоды. Данный фактор обусловлен тем, что у пользователя отсутствуют источники потребления тепловой энергии в летнее время. В зимнее время из-за малой доли солнечной радиации, низких температур наружного воздуха эффективность работы коллекторов падает. В этой связи, работа солнечных коллекторов ограничена.

При анализе графиков суточной работы солнечных коллекторов в апреле и октябре месяце следует отметить, что пиковые значения температур возникают в диапазоне 12⁰⁰-15⁰⁰ ч. Нагрев теплоносителя в апреле начинается с 9⁰⁰ ч, в октябре с 11⁰⁰ ч. Также выявлено, что в ночное время теплоноситель в коллекторе остывает до отрицательной температуры, при этом происходит автоматическое срабатывание циркуляционного насоса, из за чего температура теплоносителя при входе в коллектор имеет более высокое значение чем при выходе. Происходит обратный процесс теплосъема из бака-аккумулятора в атмосферу. При данном процессе теряется часть тепловой энергии Срабатывание циркуляционного насоса при низкой разнице температур обусловлено, предотвращением повышения вязкости теплоносителя при низких температурах. При сравнении графиков максимальная температура в коллекторе наблюдается в весеннее время, что подтверждается данными солнечной активности. Температура в баке-аккумуляторе за сутки в апреле не опускается ниже 35 °С, в октябре не ниже 80 °С, что доказывает низкую инерционность и высокую аккумуляцию тепла.

Также проанализированы данные по расходу природного газа в соответствии с предъявленными жильцами квитанциями.

Расчет расхода природного газа на отопление и приготовление горячей пищи в жилых зданиях произведен на основании квитанций по данным газового счетчика G-4 на узле ввода газопровода. Тариф природного газа по городу Якутску составляет 4308,1 руб. за 1000 куб.м.

Расход газа на отопление и бытовые расходы жилого дома за период с марта по октябрь месяцы составил 7120,8 куб. м., что составляет 39, 56 куб.м. на 1 м² отапливаемой площади здания.

Фактический расход газа на отопление и бытовые нужды производился в период с январь-март, октябрь - текущее время. В период с начала апреля по сентябрь месяцы расходование газа производилось на бытовые нужды. Отопление жилого дома в указанный период осуществлялось за счет работы солнечных коллекторов. В марте и октябре месяце солнечный коллектор работал с замещением газового котла в дневное время в солнечную погоду.

Всего фактически солнечный коллектор работал без замещения газовым котлом в период с 4.04.-25.05.14 и с 17.09.-29.09.14, что составляет 63 дня отопительного периода. При определении периода времени работы солнечного коллектора в течение 1 суток в качестве исходного взят самый оптимальный диапазон с 9⁰⁰-15⁰⁰ ч., что подтверждается суточными значениями температур теплоносителя.

Далее используя Методику определения количества тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах коммунального теплоснабжения (практическое пособие к Рекомендациям по организации учета тепловой энергии и теплоносителей на предприятиях, в учреждениях и организациях жилищно-коммунального хозяйства и бюджетной сферы) - МДС 41-4.2000 рассчитываем объем произведенной тепловой энергии солнечным коллектором.

При выявлении равенства расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах (m₁=m₂=m) определение потребленной тепловой энергии, Гкал (ГДж), может производиться по формуле:

ф =Gср *(t1ср-t2ср)*10-3, Гкал/час

якутия солнечный коллекторо отопление

Общий объем произведенной коллектором тепловой энергии на отопление жилого дома за 63 суток равна 18,54 Гкал. Средняя производительность за указанный период составила 0,05 Гкал/ч.

Для получения 1 Гкал тепловой энергии при существующем тарифе расхода природного газа будет равен 465,1 руб. При этом критерии неравномерности нагрузки газового котла во время отопительного сезона не учитываются. Коэффициент полезного действия берется по паспорту.

При этом общий объем произведенной солнечными коллекторами за рассматриваемый период энергии в денежном выражении будет равен 8622,9 руб.

Основные выводы:

. Рассмотренные солнечные коллекторы с вакуумными трубками эффективно работают в весенне-осенний период, начиная с марта месяца до конца октября, при этом полностью замещая основной источник теплогенерации в апреле-сентябре месяце.

. Система отопления и водоснабжения жилого дома за отопительный период работала без перебоев.

. Расчетным путем установлена реальная экономия природного газа на отопление жилого дома, определение фактического объема использования произведенной тепловой энергии на отопление будет выполненена в ходе дальнейшего мониторинга.

. Предварительные результаты обследования показали эффективность применения системы солнечных коллекторов для теплоснабжения индивидуальных жилых домов в условиях Центральной Якутии.

. Установлено, что в летний период солнечные коллекторы фактически не используются, вследствие отсутствия источником теплопотребления. Для повышения эффективности использования солнечных коллекторов предлагаем использование солнечной энергии для обогрева летних бассейнов, тепличных хозяйств. А также для производства горячей воды путем использования косвенных водонагревателей.

Литература

1.      Энергоэффективные здания.

.        Теплопотери здания. Малявина Е.Г.

.        СНиП 23-01-1999*. Строительная климатология. М.: Госстрой России, 1999

.        СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: Госстрой России, 2004.