DOI 10.57112/22022-13

УДК 620.92

СОЛНЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ ДЛЯ ПОСЕЛКА УСЬКА-ОРОЧСКАЯ

Пелипенко Роман Андреевич

Сиваков Кирилл Антонович

Аннотация:

В статье рассматривается возможность использования солнечных коллекторов для систем отопления и подогрева воды для условий Ванинского района Хабаровского края. В качестве примера взят посёлок Уська-Ороческая, описаны проблемы, связанные с существующей системой централизованного отопления и способы решения этих проблем. Рассмотрены существующие типы солнечных коллекторов – плоские и вакуумные. В статье приводится упрощённый расчёт системы водоподогрева для среднего домохозяйства. Для сравнения и сопоставления финансовых расходов, рассчитывается подогрев с использованием электрической энергии. Представлена схема системы горячего водоснабжения и отопления с использованием солнечного коллектора

Ключевые слова: солнечный коллектор, солнечная энергия, энергия, водоснабжение, отопление, подогрев, температура

Теплоснабжение потребителей в России осуществляют более двух десятков тысяч предприятий. По данным Минэнерго РФ, когенерация обеспечивает производство около 46 % тепловой и более 30 % электрической энергии. Система теплоснабжения в России составляет 45 % мирового централизованного производства тепловой энергии. Соответственно, большая протяженность тепловых сетей, которая составляет около 170 тыс. км [1].

В связи с тем, что цены на энергоресурсы постоянно растут, с каждым годом становится всё актуальнее вопрос использования для систем жизнеобеспечения альтернативных источников энергии. Одним из таких источников может быть использование солнечной энергии.

Перспективным решением проблемы теплоснабжения является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), особенно, если речь идёт об отдельных домохозяйствах. Обычно, в таких случаях, для систем отопления и горячего водоснабжения используют солнечные коллекторы, тепловые насосы или комбинированные, гибридные установки, в том числе работающие вместе традиционной котельной на твёрдом или жидком топливе. Последние являются наиболее эффективными, так как  в этом случае используется два и более источников энергии, что обеспечивает надёжность работы всей системы при любых погодных условиях.

Известно, что солнечная энергия – это энергия будущего. Примеры практического применения солнечной энергии в бытовых, производственных и прочих нуждах известно с древних времён, достаточно вспомнить древнюю Грецию, где  солнечная энергия использовалась не только для обогрева жилищ и приготовления пищи, но и в военных целях. Так, в 214 – 212 годах до н.э. при осаде города Сиракузы римский флот был уничтожен «огненным лучом Архимеда», который создавался с помощью системы зеркал.  Для сфокусированного отраженного солнечного света было достаточно нескольких минут, чтобы деревянные корабли охватывало пламя [2].

Солнечный коллектор сегодня является наиболее эффективным устройством, которое преобразует солнечную энергию в тепловую.

Рынок всех существующих типов солнечных коллекторов можно разделить на несколько категорий:

- низкотемпературные солнечные коллекторы способны производить тепло температурой ниже 50 °C. Они используются для нагрева воды в бассейнах и в других случаях, где не требуется слишком горячая вода.

- коллекторы средней температуры (60-80 °C), это в основном плоские коллекторы, в которых передача тепла производится с помощью жидкости, или коллекторы-концентраторы, в которых концентрируется тепло. К этим типам относится и вакуумный трубчатый коллектор, который способен работать даже при отрицательных температурах окружающего воздуха.

- высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические концентраторы (системы зеркал и т.д.), способные разогревать теплоноситель до высоких температур [3].

Принцип работы солнечных коллекторов уникален тем, что он получает тепловую энергию непосредственно от Солнца, в отличие, например, от обычного котла, где нагрев теплоносителя происходит за счёт высвобождающейся при сгорании топлива энергии. Тоже самое и в тепловых насосах, которые тоже относятся к ВИЭ, но, получают энергию используя тепло почвы, воздуха или воды.

Отличительной особенностью солнечных коллекторов, является то, что они являются сезонными, т.е., в холодное время года их эффективность значительно снижается. Зимой, как правило, солнечной энергии в несколько раз меньше, чем летом, и, соответственно, мало солнца - мало тепла. Кроме того, солнечные коллекторы вносят свой вклад в систему теплоснабжения днём, в светлое время суток, и чем ярче солнце, тем они более эффективны. Поэтому, при расчётах систем отопления с использованием солнечных коллекторов, необходимо учитывать сезонные факторы, мощность солнечного излучения и изменения температуры окружающего воздуха.  Максимальная эффективность солнечных коллекторов может быть летом, когда инсоляция находится на максимуме, обычно это период с конца мая до начала августа.

В межсезонье продуктивность коллекторов падает и достигает минимума к декабрю-январю. Подогрев теплового носителя осуществляется в основном с помощью двух типов солнечных коллекторов:

- плоских;

- вакуумных.

Наиболее распространенными являются плоские солнечные коллекторы, работающие по принципу парникового эффекта. Солнечные лучи, проникая, например, через стекло, падают на поверхность солнечного коллектора, которая покрыта специальным поглощающим покрытием (рисунок 1).

Рисунок 1 – Плоский солнечный коллектор

Устройство плоского солнечного коллектора достаточно простое. Он состоит из корпуса, абсорбера (теплопоглощающее покрытие), прозрачного защитного покрытия и термоизоляции.  

Устройство вакуумных солнечных коллекторов более сложное. Это связано с тем, что у этих типов солнечных коллекторов используются вакуумные трубки, внутри которых находится теплопоглощающая поверхность. Таким образом, за счёт вакуума  удаётся существенно сократить потери тепла,  понизить зависимость эффективности коллектора от температуры окружающей среды. Вакуумный солнечный коллектор может работать при температурах до -20 °C и ниже, главное условие, чтобы было яркое солнце.

Вакуумные коллекторы состоят из корпуса, стеклянных вакуумных трубок, внутри которых находится теплообменник (рисунок 2).

Рисунок 2 – Вакуумный трубчатый коллектор

Исследования возможности использовать солнечные коллекторы для систем отопления проводились в Ванинском районе Хабаровского края. Непосредственно объектом исследования стал посёлок Уська-Орочская.

В Ванинском районе имеется множество небольших сельских поселений. Отопление таких поселений - достаточно сложная с экономической точки зрения задача. Это связано с тем, что в условиях небольшого поселения сложно выйти на необходимый уровень рентабельности. Основную долю стоимости услуг по отоплению жилых и иных помещений составляет - топливо.

Уська-Орочская – одно из старейших населённых пунктов Хабаровского края, расположенный среди живописных таёжных сопок на самом берегу богатой рыбой реки Тумнин (рисунок 3).  

Рисунок 3 - Поселок Уська-Орочская Хабаровского края

В посёлке имеется участковая больница, дошкольное образовательное учреждение, школа, дом культуры, а так же многоквартирные и частные дома. Многие квартиры в двухэтажных деревянных домах пустуют, из-за чего растёт долг за коммунальные услуги, в основном это - отопление. Жилой фонд, ввиду отсутствия управляющих компаний, не желающих работать в условиях неплатежей населения, постепенно ветшает. Не видя для себя дальнейших перспектив, из села уезжает молодёжь.

Но, несмотря на все экономические и социальные сложности, одной из основных задач, которую ставит перед собой администрация Ванинского района, является создание комфортных и достойных условий проживания населения. С этой целью руководство района старается использовать любые возможности, предоставляемые федеральным и краевым правительством.

Так, в 2017 году в поселке ввели в эксплуатацию новую модульную котельную (рисунок 4). В новой котельной установлены четыре основных котла и один запасной. Если сравнивать новую котельную со старой, то выгода вполне очевидна, так как потребление угля уменьшилось, а тепловая мощность возросла. Соответственно, система теплоснабжения посёлка стала более эффективной, проблем с температурой в домах зимой и горячим водоснабжением теперь нет. Но, несмотря на это, долги по платежам за отопление ещё остаются.  

В этой связи, было решено провести исследования и соответствующие расчёты на предмет возможности использования для теплоснабжения зданий в поселке Уська-Орочская солнечных коллекторов. Для климатических условий Хабаровского края был выбран вакуумный солнечный коллектор.

Ниже приведен упрощенный тепловой расчет солнечного коллектора.

Начальная температура воды, поступающая в дом из водопровода, составляет 10 °С, а для использования этой воды (умывание, душ, отопление, уборка и пр.) требует ее подогрева. Конечно, для подогрева воды хотя бы до 40 °С потребуется затратить энергию. Получить эту энергию можно используя газ, дрова, уголь или электроэнергию, т.е., по сути заплатить за подогрев воды. Солнечный коллектор, при благоприятных погодных условиях, достаточно легко справится с этой задачей, зимой сможет подогреть воду до 70 °С, а летом – до 100 °С. Но, судить об эффективности использования солнечного отопления в широтах Хабаровского края, можно только на основе более точных расчётов, при этом необходимо учесть множество различных факторов.

В солнечный день на каждый квадратный метр поверхности, которая установлена перпендикулярно солнечным лучам, на протяжении одного часа приходит от 700 до 1350 ватт солнечной тепловой энергии. Всё зависит от состояния атмосферы, поэтому, для примера, возьмем среднее значение - 1000 Вт/м2.

Чтобы нагреть 1 кг (л) воды на 1 градус потребуется приблизительно 1,16 Вт. Поглощение тепла стороны, которая обращена к солнцу, составляет практически 100 %. Из этого следует, что солнечный коллектор площадью 1 м2 сможет нагреть воду на один градус:

1000 Вт / 1,16 Вт = 862,07 кг воды.

Для удобства расчётов считаем, что V = 862 ⋅ Т ⋅ S ⋅ t, где V – объём воды в литрах, Т – температура в °С, S – площадь солнечного коллектора в м2, t – время нагрева в часах. Это соотношение показывает какое количество воды на сколько градусов можно нагреть за t часов в солнечном коллекторе, площадь которого составляет S м2.

Произведём расчёт солнечного коллектора, который состоит из 15 вакуумных трубок общей площадью S = 3 м2. Оптимальный объем теплоаккумулятора (накопителя тепла)  для жидкости этого коллектора V  = 150 литров, начальная температура воды T1 = 10 °С. Продолжительность нагрева такого количества воды до T2 = 45 °С в холодное время года (при идеальных условиях) составит:

(V ⋅ (T2 – T1)) / (S ⋅ 826 ⋅ Т ⋅ S ⋅ t) = 5250 /2586 = 2,03 часа.

Таким образом, чтобы нагреть 150 литров воды до температуры до 45 °С, солнечная установка должна работать не менее 2 часов. Если учитывать теплопотери коллектора и тот факт, что атмосфера не всегда имеет идеальную прозрачность, время нагрева в холодное время года может увеличится до 4 часов.

Для сравнения приведём расчёты для нагрева заданного объема воды электрической энергией:

t = (m ∙ c ∙ Δϑ) / (P ∙ η),

где, t - время нагрева в часах, равное 1 часу,

c = 1,163 (Ватт/час) / (кг ∙ К),

m - количество воды 150 кг, 

P - мощность в Вт,

η - КПД = 0,98,

Δϑ - разность температур в К (ϑ2 - ϑ1) = 35 °C ,

ϑ1 - температура холодной воды в10 °C,

ϑ2 - температура горячей воды в 45 °C.

Находим искомую мощность:

P = (150 ∙ 1,163 ∙ 35) / (1 ∙ 0,98) = 6,23 кВт.

Следовательно, чтобы разогреть 150 литров воды с помощью электроэнергии, с учетом теплопотерь, потребуется в течении часа мощность 6,23 кВт, т.е., примерно от 7 до 8 кВт∙час электроэнергии. С учётом существующих тарифов (2,3 руб. за кВт∙час), это составит от 16 до 20 рублей, а за 300 литров – от 32 до 40 рублей.

Подведем итог: зимой один солнечный коллектор, площадь которого составляет 3 м2, сэкономит расходы среднего домохозяйства от 20 до 40 рублей в день.

Произведем расчет расхода горячей воды для семьи, состоящей из трех человек.

Если день начинается с 10-минутного душа для каждого из членов семьи, то использование теплой воды составляет 8 литров в минуту. Следовательно, на прием душа уходит: 3 чел. × 10 мин. × 8 л/мин = 240 литров теплой воды.

Дальше завтрак, после которого на мытье посуды нужно примерно 15 минут с расходом теплой воды 3 л/минуту. Так, для того чтобы вымыть посуду понадобиться: 15 мин. × 3 л/мин = 45 литров теплой воды.

Если предположить, что вечером расход воды будет приблизительно таким же, а также добавить уборку, стирку и прочие потребности, то добавим еще 100 литров. В результате расход теплой воды утром или вечером составит:

240 + 45 + 100 = 385 литров.

При подсчетах видно, что в среднем на одного члена семьи приходится 100-150 литров горячей воды в день. Тогда, для того, чтобы обеспечить семью горячей водой в холодное время года, нам потребуется два солнечных коллектора и бак на 300 литров.

Если мы планируем использовать солнечное тепло в максимальном объеме и использовать его для разогрева отопления, тогда целесообразна установка не менее шести солнечных коллекторов и накопительный бак на 500 литров воды.

Солнечная установка достаточно эффективная система, которая позволяет существенно снизить затраты по оплате горячего водоснабжения и отопления. Конечно, вышеприведенный расчет – это упрощенный расчет, причём, взят для  зимнего периода. Соответственно, с приходом весны и лета солнечная активность значительно возрастет, следовательно, возрастет и эффективность всей системы водоподогрева. В летний период человек более активен и, как правило, использует большее количество горячей воды: принимает душ, бассейн, моет посуду, стирает и пр. Летом температура воды, нагретой с помощью солнечного коллектора, может достигать до 95 °С. Но, излишний нагрев не будет являться проблемой в тёплое время года, так как никаких финансовых расходов на это не потребуется.

В результате отметим, что, например летом, эффективность солнечного оборудования вырастает как минимум в два раза, а шестиколлекторная солнечная установка, площадь которой 18 м2, сэкономит от 180 до 400 рублей в день, а в холодное время года от 90 до 200 рублей в день. Если количество холодных и теплых дней в году приблизительно одинаковое, тогда можно провести такой расчет, при котором экономия будет составлять от (90+200) / 2 = 145, до (840+1920) / 2 = 290. Умножив полученные значения на 365 дней и получим сумму 52,9-105,0 тыс. рублей в год.

Ниже, на рисунке 4 приведена схема,  поясняющая работу горячего водоснабжения и отопления от солнечного коллектора для одного дома.

Рисунок 4 -  Схема системы горячего водоснабжения и отопления с использованием солнечного коллектора

Данную схему можно применить и к многоквартирным домам, и к помещениям детского сада, школы, больницы и прочим социальным объектам. Отопление от солнечных коллекторов можно использовать как дополнительный источник энергии не отказываясь от центрального отопления.

Список используемой литературы

1. Стенников, В. Рынок тепла: мировой опыт развития централизованного теплоснабжения / В. Стенников, А. Пеньковский // Энергетическая политика. – 2021. – № 10(164). – С. 64-75. – DOI 10.46920/2409-5516_2021_10164_64. – EDN XQZKYH.

2. Жабин, Н. И. Солнечная энергия - энергия будущего / Н. И. Жабин, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 203-206. – EDN WFEQOJ.

3. Пьянзина, Н. Н. Перспективы использования солнечных коллекторов. Возобновляемые источники энергии / Н. Н. Пьянзина, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 279-283. – EDN AVDSGN.

Информация об авторах

Пелипенко Р. А.  – студент группы ИУ1-13, МГТУ им. Н. Э. Баумана, РФ, г. Москва, Сиваков К. А.  - студент группы ТЭО20, КГБ ПОУ «Ванинский межотраслевой колледж (Центр опережающей профессиональной подготовки)», РФ, Хабаровский край, р. п. Ванино.

-