Солнечное теплоснабжение. Системы активного солнечного теплоснабжения. Схема подключении теплового коллектора

Nbsp; РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов Методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов: методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии/ А. В. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛЖЕНИЯ 1.1. Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора 1.2. Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения 2. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3. РАСЧЁТ ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ 3.1. Основные положения 3.2. Определение трансмиссионных тепловых потерь 3.3. Определение расхода теплоты на подогрев вентиляционного воздуха 3.4. Определение затрат теплоты на горячее водоснабжение 4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИБЛИОГРАФИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор (СК) является основным элементом систем солнечного отопления и горячего водоснабжения. Принцип его действия прост. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверхностью, которая является «черной» по отношению к солнечному излучению. Часть поглощенной энергии передается жидкости, циркулирующей через коллектор, а остальная теряется в результате теплообмена с окружающей средой. Тепло, уносимое жидкостью, представляет собой полезное тепло, которое либо аккумулируется, либо используется для покрытия отопительной нагрузки.

Основные элементы коллектора следующие: поглощающая пластина, обычно из металла, с неотражающим черным покрытием, обеспечивающим максимальное поглощение солнечного излучения; трубы или каналы по которым циркулирует жидкость пли воздух и которые находятся в тепловом контакте с поглощающем пластиной; тепловая изоляция днища и боковых кромок пластины; один или несколько воздушных промежутков, разделенных прозрачными покрытиями в целях теплоизоляции пластины сверху; и наконец, корпус, обеспечивающий долговечность и устойчивость к воздействию погодных факторов. На рис. 1 показаны поперечные сечения водо- и воздухонагревателя.

Рис. 1. Схематичное изображение солнечных коллекторов с водяным и воздушным теплоносителями: 1 – тепловая изоляция; 2 – воздушный канал; 3 – прозрачные покрытия; 4 – поглощающая пластина; 5 – трубы, соединенные с пластиной.

Прозрачное покрытие обычно делают из стекла. Стекло обладает превосходной стойкостью к атмосферным воздействиям и хорошими механическими свойствами. Оно относительно недорого и при низком содержании окиси железа может иметь высокую прозрачность. Недостатками стекла являются хрупкость и большая масса. Наряду со стеклом возможно применение и пластмассовых материалов. Пластмасса обычно менее подвержена поломке, легка и в виде топких листов недорога. Однако она, как правило, не обладает столь же высокой устойчивостью к воздействию погодных факторов, как стекло. На поверхность пластмассового листа легко наносятся царапины и многие пластмассы со временем деградируют и желтеют, в результате чего снижается их пропускательная способность по отношению к солнечному излучению и ухудшается механическая прочность. Еще одним преимуществом стекла по сравнению с пластмассами является то, что стекло поглощает или отражает все падающее на него длинноволновое (тепловое) излучение, испускаемое поглощающей пластиной. Потери тепла в окружающую среду путем излучения снижаются при этом более эффективно, чем в случае пластмассового покрытия, которое пропускает часть длинноволнового излучения.

Плоский коллектор поглощает как прямое, так и диффузное излучение. Прямое излучение вызывает отбрасывание тени освещаемым солнцем предметом. Диффузное излучение отражается и рассеивается облаками и пылью, прежде чем достигает поверхности земли; в отличие от прямого излучения оно не приводит к образованию теней. Плоский коллектор обычно устанавливают неподвижно на здании. Его ориентация зависит от местоположения и времени года, в течение которого должна работать солнечная энергетическая установка. Плоский коллектор обеспечивает низкопотенциальное тепло, требуемое для нагрева воды и отопления помещения.

Фокусирующие (концентрирующие) солнечные коллекторы, в том числе с параболическим концентратором или концентратором Френеля, могут применяться в системах солнечного теплоснабжения. Большая часть фокусирующих коллекторов использует только прямую солнечную радиацию. Преимущество фокусирующего коллектора по сравнению с плоским состоит в том, что он имеет меньшую площадь поверхности, с которой тепло теряется в окружающую среду, а следовательно, рабочая жидкость может быть нагрета в нем до более высоких температур, чем в плоских коллекторах. Однако для нужд отопления и горячего водоснабжения более высокая температура почти (или совсем) не имеет значения. Для большинства концентрирующих систем коллектор должен следить за положением солнца. Системы, не дающие изображения солнца, обычно требуют регулировки несколько раз в год.

Следует различать мгновенные характеристики коллектора (т. е. характеристики в данный момент времени, зависящие от метеорологических и рабочих условий в этот момент), и его долгосрочные характеристики. На практике коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий в течение года. В некоторых случаях рабочий режим характеризуется высокой температурой и низкой эффективностью коллектора, в других случаях, наоборот, низкой температурой и высокой эффективностью.

Для рассмотрения работы коллектора при переменных условиях необходимо определить зависимость его мгновенных характеристик от метеорологических и режимных факторов. Для описания характеристик коллектора необходимы два параметра, один из которых определяет количество поглощенной энергии, а другой - потери тепла в окружающую среду. Эти параметры лучшее всего определяются в результате испытаний, в которых измеряется мгновенная эффективность коллектора в соответствующем диапазоне условий.

Полезная энергия, отводимая из коллектора в данный момент времени, - это разность количества солнечной энергии, поглощенной пластиной коллектора, и количества энергии, теряемой в окружающую среду. Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоского коллектора, имеет вид:

где - полезная энергия, отводимая из коллектора в единицу времени, Вт; - площадь коллектора, м 2 ; - коэффициент отвода тепла из коллектора; - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м 2 ; - пропускательная способность прозрачных покрытии по отношению к солнечному излучению; - поглотительная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению; - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м 2 °С); -температура жидкости на входе в коллектор, °С; - температура окружающей среды, °С.

Солнечная радиация, падающая на коллектор, в любой момент времени состоит из трех частей: прямой радиации, диффузной радиации и радиации, отраженной от земли или окружающих предметов, количество которой зависит от угла наклона коллектора к горизонту и характера этих предметов. Когда проводятся испытании коллектора, плотность потока радиации I измеряют с помощью пиранометра, установленного под тем же, что и коллектор, углом наклона к горизонту. Применяемый при расчетах f -метод требует знания средних месячных приходов солнечной радиации на поверхность коллектора. Чаще всего в справочниках имеются данные по средним месячным приходам радиации на горизонтальную поверхность.

Плотность потока солнечной радиации, поглощаемой пластиной коллектора в некоторый момент времени, равна произведению плотности потока падающей радиации I , пропускательной способности системы прозрачных покрытий t и поглощательной способности пластины коллектора a . Обе последние величины зависят от материала и угла падения солнечного излучения (т. е. угла между нормалью к поверхности и направлением солнечных лучей). Прямая, диффузная и отраженная составляющие солнечной радиации поступают на поверхность коллектора под различными углами. Поэтому оптические характеристики t и a должны рассчитываться с учетом вклада каждой из компонент.

Коллектор теряет тепло различными способами. Потери тепла от пластины к прозрачным покрытиям и от верхнего покрытия к наружному воздуху происходят путем излучения и конвекции, но соотношение этих потерь в первом и втором случаях не одинаково. Потери тепла через изолированные днище и боковые стенки коллектора обусловлены теплопроводностью. Коллекторы должны проектироваться таким образом, чтобы все тепловые потерн были наименьшими.

Произведение полного коэффициента потер U L и разности температур в уравнении (1) представляет собой потери тепла от поглощающей пластины при условии, что ее температура всюду равна температуре жидкости на входе. При нагревании жидкости пластина коллектора имеет более высокую температуру, чем температура жидкости па входе. Это необходимое условие переноса тепла от пластины к жидкости. Поэтому фактические потери тепла от коллектора больше значения произведения . Разница потерь учитывается с помощью коэффициента отвода тепла F R .

Полный коэффициент потерь U L равен сумме коэффициентов потерь через прозрачную изоляцию, днище и боковые стенки коллектора. Для хорошо спроектированного коллектора сумма последних двух коэффициентов обычно составляет около 0,5 - 0,75 Вт/(м 2 °С). Коэффициент потерь через прозрачную изоляцию зависит от температуры поглощающей пластины, числа и материала прозрачных покрытий, степени черноты пластины в инфракрасной части спектра, температуры окружающей среды и скорости ветра.

Уравнение (1) удобно для расчета солнечных энергетических систем, поскольку полезная энергия коллектора определяется по температуре жидкости па входе. Однако потери тепла в окружающую среду зависят от средней температуры поглощающей пластины, которая всегда выше температуры на входе, если жидкость нагревается, проходя через коллектор. Коэффициент отвода тепла F R равен отношению фактической полезной энергии, когда температура жидкости в коллекторе увеличивается в направлении потока, к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе.

Коэффициент F R зависит от расхода жидкости через коллектор и конструкции поглощающей пластины (толщины, свойств материала, расстояния между трубами и т. п.) и почти не зависит от интенсивности солнечной радиации и температур поглощающей пластины и окружающей среды.

Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Системы солнечного теплоснабжения (или гелиоустановки) можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, или «солнечные дома», которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы здания и не требуют дополнительного оборудования. Чаще всего такие системы включают в себя зачерненную стену здания, обращенную на юг, на некотором расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие. В верхней и нижней части стены имеются отверстия, соединяющие пространство между стеной и прозрачным покрытием с внутренним объемом здания. Солнечная радиация нагревает стену: воздух, омывающий стену, нагревается от нее и поступает через верхнее отверстие в помещения здания. Циркуляция воздуха обеспечивается либо за счет естественной конвекции, либо вентилятором. Несмотря на некоторые преимущества пассивных систем, используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют улучшить архитектуру здания, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения. Выбор, состав и компоновка элементов активной системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае, определяются климатическими факторами, типом объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор; применяемые элементы, такие как теплообменные устройства, аккумуляторы, дублирующие источники теплоты, сантехническая арматура, широко используются в промышленности. Солнечный коллектор обеспечивает преобразование солнечного излучения в теплоту, передаваемую нагреваемому теплоносителю, циркулирующему в коллекторе.

Аккумулятор является важным компонентом системы солнечного теплоснабжения, так как из-за периодичности поступления солнечной радиации в течение дня, месяца, года максимум теплопотребления объекта не совпадает с максимумом теплопоступления. Выбор объема аккумулятора зависит отхарактеристик системы. Аккумулятор может быть выполнен в виде бака или другой емкости, заполненной аккумулирующим теплоту веществом. В эксплуатируемых системах обычно на 1 м 2 солнечного коллектора приходится от 0,05 до 0,12 м 3 вместимости бака-аккумулятора. Существуют проекты межсезонного аккумулирования солнечной энергии, при этом вместимость бака-аккумулятора достигает 100 - 200 м 3 . Баки-аккумуляторы могут работать за счет теплоемкости рабочего вещества или теплоты фазовых превращений различных материалов. Однако на практике из-за простоты, надежности и сравнительной дешевизны наибольшее распространение получили аккумуляторы, в которых рабочим веществом является вода или воздух. Водяные аккумуляторы представляют собой цилиндрические стальные резервуарысо слоем теплоизоляции. Чаще всего они располагаются в подвале дома. В воздушных аккумуляторах применяют засыпку из гравия, гранита и других твердых наполнителей. Дублирующий источник теплоты также является необходимым элементом солнечной установки. Назначение источника - полное обеспечение объекта теплотой в случае недостатка или отсутствия солнечной радиации. Выбор типа источника определяется местными условиями. Это может быть, либо электробойлер, либо водогрейный котел или котельная на органическом топливе. В качестве теплообменных устройств используются различные типы теплообменников, широко применяемых в энергетике и теплотехнике, например, скоростные теплообменники, водяные подогреватели и т. д.

Кроме основных элементов, описанных выше, солнечные систем теплоснабжения могут включать в себя насосы, трубопроводы, элементы системы КИП и автоматики и т. д. Различное сочетание этих элементов приводит к большому разнообразию систем солнечного теплоснабжения по их характеристикам и стоимости. На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

1) по назначению:

Системы горячего водоснабжения;

Системы отопления;

Комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;

2) по виду используемого теплоносителя:

Жидкостные;

Воздушные;

3) по продолжительности работы:

Круглогодичные;

Сезонные;

4) по техническому решению схемы:

Одноконтурные;

Двухконтурные;

Многоконтурные.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель - вода.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).

Системы солнечного теплоснабжения малой производительности, обеспечивающие небольших отдаленных потребителей, часто работают по принципу естественной циркуляции теплоносителя. Бак с водой располагается выше солнечного коллектора. Эта вода подается в нижнюю часть СК, расположенного под определенным углом, где начинает нагреваться изменять свою плотность и самотеком подниматься вверх по каналам коллектора. Затем она поступает в верхнюю часть бака, а ее место в коллекторе занимает холодная вода из его нижней части. Устанавливается режим естественной циркуляции. В более мощных и производительных системах циркуляция воды в контуре солнечного коллектора обеспечивается при помощи насоса.

Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения, представленны на рис. 2, 3 , можно разделить на две основные группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 2); установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 3). В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис. 2 а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис. 2 в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель догревается в дублирующем источнике теплоты. Рассмотренные схемы находят применение, в основном, в промышленных объектах, в системах с долговременным аккумулированием теплоты. Чтобы обеспечить постоянный температурный уровень теплоносителя на выходе из коллектора, необходимо изменять расход теплоносителя в соответствии с законом изменения интенсивности солнечной радиации в течение дня, что требует применения автоматических устройств и усложняет систему. В схемах второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо через бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис. 3 а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис. 1.4 б), так и вне его (рис. 3 в). К потребителю нагретый теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается в дублирующем источнике теплоты. Установки, работающие по схемам, представленным на рис. 3, могут быть одноконтурными (рис. 3 а), двухконтурными (рис.3 б) или многоконтурными (рис. 3 в, г).

Рис. 2. Принципиальные схемы прямоточных систем: 1-солнечный коллектор; 2- аккумулятор; 3-теплообменник

Рис. 3. Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Применение того или иного варианта схемы зависит от характера нагрузки, типа потребителя климатических, экономических факторов и других условий. Рассмотренные на рис. 3 схемы нашли в настоящее время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой, надежностью в эксплуатации.

Этапы ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Расчетно-графическая работа состоит из следующих основных этапов:

1) Выполнение чертежа «План здания».

2) Выбор тепловой схемы системы отопления с использованием солнечных коллекторов

3) Выполнение чертежа «Схема отопления и ГВС с использованием солнечных тепловых коллекторов»

4) Расчет отопительной нагрузки (отопление и ГВС).

5) Расчет системы солнечного теплоснабжения и доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии f - методом.

6) Оформление пояснительной записки.

2018-08-15

В СССР существовали несколько научных и инженерных школ солнечного теплоснабжения: Москва (ЭНИН, ИВТАН, МЭИ и др.), Киев (КиевЗНИИЭПИО, Киевский инженерно-строительный институт, Институт технической теплофизики и др.), Ташкент (Физико-технический институт АН УзССР, ТашЗНИИЭП), Ашхабад (Институт солнечной энергии АН ТССР), Тбилиси («Спецгелиотепломонтаж»). В 1990-е годы к этим работам подключились специалисты из Краснодара, оборонного комплекса (города Реутов Московской области и Ковров), Института морских технологий (Владивосток), «Ростовтеплоэлектропроекта». Оригинальную школу гелиоустановок создал в Улан-Уде Г.П. Касаткин.

Солнечное теплоснабжение является одной из наиболее развитых в мире технологий преобразования солнечной энергии для отопления, горячего водоснабжения и охлаждения. В 2016 году общая мощность систем солнечного теплоснабжения в мире составила 435,9 ГВт (622,7 млн м²). В России солнечное теплоснабжение пока не получило широкого практического использования, что связано прежде всего с относительно низкими тарифами на тепловую и электрическую энергию. В том же году в нашей стране, по экспертным данным, эксплуатировалось только около 25 тыс. м² гелиоустановок. На рис. 1 представлена фотография самой большой в России гелиоустановки в городе Нариманов Астраханской области площадью 4400 м².

С учётом мировых трендов развития возобновляемой энергетики, развитие солнечного теплоснабжения в России требует осмысления отечественного опыта. Интересно отметить, что вопросы практического использования солнечной энергии в СССР на государственном уровне обсуждались в 1949 году на Первом Всесоюзном совещании по гелиотехнике в Москве . Особое внимание было уделено активным и пассивным системам солнечного отопления зданий.

Проект активной системы был разработан и реализован в 1920 году физиком В. А. Михельсоном. В 1930-е годы системы пассивного солнечного отопления развивал один из инициаторов гелиотехники — инженер-архитектор Борис Константинович Бодашко (город Ленинград). В эти же годы д.т.н., профессор Борис Петрович Вейнберг (Ленинград) проводил исследования ресурсов солнечной энергии на территории СССР и разработку теоретических основ сооружения гелиоустановок.

В 1930-1932 годах К. Г. Трофимов (город Ташкент) разработал и испытал гелиовоздухонагреватель с температурой нагрева до 225 °C. Одним из лидеров развития солнечных коллекторов и гелиоустановок горячего водоснабжения (ГВС) был к.т.н. Борис Валентинович Петухов. В опубликованной им в 1949 году книге «Солнечные водонагреватели трубчатого типа» он обосновал целесообразность разработки и основные конструктивные решения плоских солнечных коллекторов (СК). На основании десятилетнего опыта (1938- 1949 годы) сооружения гелиоустановок для систем горячего водоснабжения он разработал методологию их проектирования, строительства и эксплуатации. Таким образом, уже в первой половине прошлого века в нашей стране были выполнены исследования по все видам систем солнечного теплоснабжения, в том числе по потенциалу и методикам расчёта солнечной радиации, жидкостным и воздушным солнечным коллекторам, гелиоустановкам для систем ГВС, активным и пассивным системам солнечного отопления.

По большинству направлений советские исследования и разработки в области солнечного теплоснабжения занимали лидирующие позиции в мире. Вместе с тем практического широкого применения оно в СССР не получило и развивалось в инициативном порядке. Так, к.т.н. Б. В. Петухов разработал и построил десятки гелиоустановок с СК собственной конструкции на погранзаставах СССР.

В 1980-е годы вслед за зарубежными разработками, инициированными так называемым «мировым энергетическим кризисом», отечественные разработки в области солнечной энергетики значительно активизировались. Инициатором новых разработок стал Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского в Москве (ЭНИН), накопивший опыт в этой области с 1949 года.

Председатель Государственного комитета по науке и технике академик В. А. Кириллин посетил ряд европейских научных центров, начавших широкие исследования и разработки в области возобновляемой энергетики, и в 1975 году в соответствии с его поручением к работам в этом направлении был подключён Институт высоких температур Академии наук СССР в Москве (ныне Объединённый институт высоких температур, ОИВТ РАН).

Исследованиями в области солнечного теплоснабжения в 1980-е годы в РСФСР стали заниматься также Московский энергетический институт (МЭИ), Московский инженерно-строительный институт (МИСИ) и Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС, город Москва).

Разработки экспериментальных проектов гелиоустановок большой мощности выполнял Центральный научно-исследовательский и проектный институт экспериментального проектирования (ЦНИИ ЭПИО, город Москва).

Вторым по значимости научным и инженерным центром развития солнечного теплоснабжения был Киев (Украина). Головной организацией в Советском Союзе по проектированию гелиоустановок для жилищно-коммунального хозяйства Госгражданстроем СССР был определён Киевский зональный научно-исследовательский и проектный институт (КиевЗНИИЭП). Исследования в этом направлении выполняли Киевский инженерностроительный институт, Институт технической теплофизики Академии наук Украины, Институт проблем материаловедения АН УССР и Киевский институт электродинамики.

Третьим центром в СССР был город Ташкент, где исследованием занимались Физико-технический институт Академии наук Узбекской ССР и Каршинский госпединститут. Разработку проектов гелиоустановок выполнял Ташкентский зональный научно-исследовательский и проектный институт ТашЗНИИЭП. В советское время солнечным теплоснабжением занимался Институт солнечной энергии Академии наук Туркменской ССР в городе Ашхабаде. В Грузии исследования солнечных коллекторов и гелиоустановок проводили объединение «Спецгелиотепломонтаж» (город Тбилиси) и Грузинский НИИ энергетики и гидротехнических сооружений.

В 1990-е годы в Российской Федерации к исследованиям и проектированию гелиоустановок подключились специалисты из города Краснодара, оборонного комплекса (АО «ВПК «НПО «Машиностроения», Ковровский механический завод), Института морских технологий (город Владивосток), «Ростовтеплоэлектропроекта», а также Сочинского института курортологии. Краткий обзор научных концепций и инженерных разработок представлен в работе .

В СССР головной научной организацией по солнечному теплоснабжению являлся Энергетический институт (ЭНИН*, Москва) (прим. автора: Деятельность ЭНИНа в области солнечного теплоснабжения с исчерпывающей полнотой описана д.т.н., профессором Борисом Владимировичем Тарнижевским (1930-2008) в статье «Солнечный круг» из сборника «ЭНИН. Воспоминания старейших сотрудников» (2000 год) . ), который организовал в 1930 году и возглавлял до 1950-х годов лидер советской энергетики, личный друг В. И. Ленина — Глеб Максимилианович Кржижановский (1872-1959).

В ЭНИН по инициативе Г. М. Кржижановского в 1940-е годы была создана лаборатория гелиотехники, которой руководил вначале д.т.н., профессор Ф. Ф. Молеро, а затем долгие годы (до 1964 года) д.т.н., профессор Валентин Алексеевич Баум (1904-1985), совмещавший обязанности заведующего лабораторией с работой заместителя директора ЭНИН.

В. А. Баум моментально схватывал суть дела и давал важные для аспирантов советы по продолжению или завершению работы. Его ученики с благодарностью вспоминали семинары лаборатории. Они проходили очень интересно и на действительно хорошем уровне. В. А. Баум был весьма широко эрудированным учёным, человеком высокой культуры, большой чуткости и такта. Все эти качества он сохранил до глубокой старости, пользуясь любовью и уважением своих учеников. Высокий профессионализм, научный подход и порядочность отличала этого незаурядного человека. Под его руководством были подготовлены более 100 кандидатских и докторских диссертаций.

С 1956 года Б. В. Тарнижевский (1930- 2008) — аспирант В. А. Баума и достойный продолжатель его идей. Высокий профессионализм, научный подход и порядочность отличала этого незаурядного человека. В числе десятков его учеников и автор этой статьи. В ЭНИНе Б. В. Тарнижевский проработал до последних дней жизни 39 лет. В 1962 году он переходил на работу во ВНИИ источников тока, расположенный в Москве, а затем через 13 лет снова возвратился в ЭНИН.

В 1964 году после избрания В. А. Баума действительным членом Академии наук Туркменской ССР он уехал в Ашхабад, где возглавил Физико-технический институт. Его преемником на должности заведующего лабораторией гелиотехники стал Юрий Николаевич Малевский (1932-1980). Он в 1970-е годы выдвинул идею создания в Советском Союзе экспериментальной солнечной электростанции мощностью 5 МВт башенного типа с термодинамическим циклом преобразования (СЭС-5, располагалась в Крыму) и возглавил масштабную команду из 15 организаций по её разработке и строительству.

Другая идея Ю. Н. Малевского состояла в создании на южном берегу Крыма комплексной экспериментальной базы по солнечному теплои холодоснабжению, которая одновременно являлась бы достаточно крупным демонстрационным объектом и центром исследований по данному направлению. Для решения этой задачи Б. В. Тарнижевский возвращается в 1976 году в ЭНИН. В это время лаборатория гелиотехники имела 70 человек. В 1980 году после смерти Ю. Н. Малевского лаборатория гелиотехники была разделена на лабораторию солнечных электростанций (её возглавил сын В. А. Баума — д.т.н. Игорь Валентинович Баум, 1946 г.р.) и лабораторию солнечного теплоснабжения под руководством Б. В. Тарнижевского, которая занималась созданием Крымской базы теплои холодоснабжения. И. В. Баум до поступления на работу в ЭНИН заведовал лабораторией в НПО «Солнце» Академии наук Туркменской ССР (1973-1983) в Ашхабаде.

В ЭНИН И. В. Баум заведовал лабораторией СЭС. В период с 1983 по 1987 годы он много сделал для создания первой в СССР термодинамической солнечной электростанции. В 1980-е годы работы по использованию ВИЭ и, в первую очередь, солнечной энергии достигли в институте наибольшего разворота. В 1987 году было завершено строительство Крымской экспериментальной базы в районе Алушты. Для её эксплуатации на месте была создана специальная лаборатория.

В 1980-е годы лаборатория солнечного теплоснабжения участвовала в работах по внедрению в массовое промышленное производство солнечных коллекторов, созданию установок солнечного и горячего водоснабжения, в том числе крупных — с площадью СК более 1000 м² и других масштабных проектов.

Как вспоминал Б. В. Тарнижевский , в области солнечного теплоснабжения в 1980-е годы была незаменима деятельность Сергея Иосифовича Смирнова, который участвовал в создании первой в стране солнечно-топливной котельной для одной из гостиниц в Симферополе, ряда других солнечных установок, в разработке расчётных методик для проектирования установок солнечного теплоснабжения. С. И. Смирнов был весьма приметной и популярной в институте личностью.

Мощный интеллект в сочетании с добротой и некоторой импульсивностью характера создавал неповторимое обаяние этого человека. Вместе с ним в его группе работали Ю. Л. Мышко, Б. М. Левинский и другие сотрудники. Группой по разработке селективных покрытий, которую возглавляла Галина Александровна Гухман, была разработана технология химического нанесения селективных поглощающих покрытий на абсорберы солнечных коллекторов, а также технология нанесения термостойкого селективного покрытия на трубчатые приёмники концентрированного солнечного излучения.

В начале 1990-х годов лаборатория солнечного теплоснабжения осуществляла научное и организационное руководство проектом по солнечным коллекторам нового поколения, входившим в программу «Экологически безопасная энергетика». К 1993-1994 годам в результате проведённых научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских работ удалось создать конструкции и организовать производство солнечных коллекторов, не уступающих зарубежным аналогам по теплотехническим и эксплуатационным характеристикам.

Под руководством Б. В. Тарнижевского был разработан проект ГОСТ 28310-89 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия». Для оптимизации конструкций плоских солнечных коллекторов (ПСК) Борисом Владимировичем был предложен обобщённый критерий: частное от деления стоимости коллектора на количество тепловой энергии, выработанной им за расчётный срок службы .

В последние годы СССР под руководством д.т.н., профессора Б. В. Тарнижевского были разработаны конструкции и технологии восьми солнечных коллекторов: один с панельным абсорбером из нержавеющей стали, два с абсорберами из алюминиевых сплавов, три с абсорберами и прозрачной изоляцией из полимерных материалов, две конструкции воздушных коллекторов. Разрабатывались технологии выращивания листотрубного алюминиевого профиля из расплава, технология изготовления упрочнённого стекла, нанесение селективного покрытия.

Конструкция солнечного коллектора, разработанная ЭНИН, серийно выпускалась Братским заводом отопительного оборудования. Абсорбер — штампосварная стальная панель с селективным гальваническим покрытием «чёрный хром». Корпус штампованный (корыто) — стальной, стекло — оконное, уплотнение стекла — спецмастика (герлен). Ежегодно (по данным 1989 года) заводом производилось 42,3 тыс. м² коллекторов.

Б. В. Тарнижевским были разработаны методы расчёта активных и пассивных систем теплоснабжения зданий. На стенде ЭНИНа с 1990 по 2000 годы были испытаны 26 различных солнечных коллекторов, в том числе все, производимые в СССР и в России.

В 1975 году к работам в области возобновляемой энергетики подключился Институт высоких температур Академии наук (ИВТАН) под руководством членакорреспондента РАН, д.т.н., профессора Эвальда Эмильевича Шпильрайна (1926- 2009). Работа ИВТАНА по возобновляемой энергетике подробно описана д.т.н. О.С. Попелем в статье «ОИВТ РАН. Итоги и перспективы» из юбилейного сборника статей института в 2010 году . В сжатые сроки совместно с проектными организациями были разработаны и обоснованы концептуальные проекты «солнечных» домов для юга страны, развиты методы математического моделирования систем солнечного теплоснабжения, начато проектирование первого в России научного полигона «Солнце» на берегу Каспийского моря вблизи города Махачкала.

В ИВТ РАН была создана сначала научная группа, а затем лаборатория под руководством Олега Сергеевича Попеля, в которых совместно с сотрудниками Особого конструкторского бюро ИВТ РАН наряду с обеспечением координации и расчётно-теоретического обоснования разрабатываемых проектов были начаты исследования в области создания электрохимических оптических селективных покрытий солнечных коллекторов, разработки так называемых «солнечных прудов», систем солнечного теплоснабжения в комбинации с тепловыми насосами, солнечных сушильных установок, велись работы и в других направлениях.

Одним из первых практических результатов коллектива ИВТ РАН стало строительство «солнечного дома» в посёлке Мердзаван Эчмиадзинского района Армении. Этот дом стал первым экспериментальным энергоэффективным «солнечным домом» в СССР, оснащённым необходимым экспериментальным диагностическим оборудованием, на котором главным конструктором проекта М. С. Калашяном из Института «Армгипросельхоз» с участием сотрудников ИВТ РАН был проведён шестилетний цикл круглогодичных экспериментальных исследований, показавших возможность практически 100 %-го обеспечения дома горячей водой и покрытия нагрузки отопления на уровне более 50 %.

Другим важным практическим результатом стало внедрение на Братском заводе отопительного оборудования разработанной в ИВТ РАН М. Д. Фридбергом (совместно со специалистами Московского вечернего металлургического института) технологии нанесения электрохимических селективных покрытий «чёрный хром» на стальные панели плоских солнечных коллекторов, производство которых было освоено на этом заводе.

В середине 1980-х годов в Дагестане был введён в эксплуатацию полигон ИВТ РАН «Солнце». Расположенный на площади около 12 га полигон включал в себя, наряду с лабораторными корпусами, группу «солнечных домов» различных типов, оснащённых солнечными коллекторами и тепловыми насосами. На полигоне состоялся запуск одного из наиболее крупных в мире (на тот момент) имитаторов солнечного излучения. Источником излучения служила мощная ксеноновая лампа мощностью 70 кВт, оснащённая специальными оптическими фильтрами, позволяющими регулировать спектр излучения от заатмосферного (АМ0) до наземного (АМ1,5). Создание имитатора обеспечило возможность проведения ускоренных испытаний стойкости различных материалов и красок к воздействию солнечного излучения, а также испытаний крупноразмерных солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей.

К сожалению, в 1990-е годы в связи с резким сокращением бюджетного финансирования исследований и разработок большинство начатых ИВТ РАН проектов в Российской Федерации пришлось заморозить. Для сохранения направления работ в области возобновляемой энергетики исследования и разработки лаборатории были переориентированы на научное сотрудничество с ведущими зарубежными центрами. Выполнялись проекты по программам INTAS и TASIS, Европейской рамочной программы в области энергосбережения, тепловых насосов и солнечных адсорбционных холодильных установок, что, с другой стороны, позволило развить научные компетенции в смежных областях науки и техники, освоить и использовать в различных энергетических приложениях современные методы динамического моделирования энергоустановок (к.т.н. С. Е. Фрид).

По инициативе и под руководством О. С. Попеля совместно с МГУ (к.ф.-м.н. С. В. Киселёва) был разработан «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации», создана Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России» (gisre.ru). Совместно с институтом «Ростовтеплоэлектропроект» (к.т.н. А. А. Чернявский) разработаны, построены и испытаны гелиоустановки с солнечными коллекторами Ковровского механического завода для систем отопления и ГВС объектов специальной астрофизической обсерватории РАН в Карачаево-Черкессии. В ОИВТ РАН создан единственный в России специализированный теплогидравлический стенд для натурных тепловых испытаний солнечных коллекторов и гелиоустановок в соответствии с российскими и зарубежными стандартами, разработаны рекомендации для применения гелиоустановок в различных регионах РФ. Подробнее с некоторыми результатами исследований и разработок ОИВТ РАН в области ВИЭ можно ознакомиться в книге О. С. Попеля и В. Е. Фортова «Возобновляемая энергетика в современном мире» .

В Московском энергетическом институте (МЭИ) вопросами солнечного теплоснабжения занимались д.т.н. В. И. Виссарионов, д.т.н. Б. И. Казанджан и к.т.н. М. И. Валов.

В. И. Виссарионов (1939-2014) заведовал кафедрой «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии (в 1988-2004 годах). Под его руководством проводились работы по расчёту ресурсов солнечной энергии, развитию солнечного теплоснабжения. М. И. Валовым совместно с сотрудниками МЭИ в 1983-1987 годах были опубликованы ряд статей по исследованию гелиоустановок. Одной из самых содержательных книг является работа М. И. Валова и Б. И. Казанджана «Системы солнечного теплоснабжения» , в которой исследовались вопросы низкопотенциальных солнечных установок (принципиальные схемы, климатические данные, характеристики СК, конструкции плоских СК), расчёт энергетических характеристик, экономическая эффективность использования систем солнечного теплоснабжения. Д.т.н. Б. И. Казанджаном разработана конструкция и освоено производство плоского солнечного коллектора «Альтэн». Особенностью этого коллектора является то, что абсорбер выполнен из алюминиевого плавникового профиля, внутри которого запрессована медная трубка, а в качестве прозрачной изоляции применён сотовый поликарбонат.

Сотрудником Московского инженерностроительного института (МИСИ) к.т.н. С. Г. Булкиным были разработаны термонейтральные солнечные коллекторы (абсорберы без прозрачной изоляции и теплоизоляции корпуса). Особенностью работы являлась подача в них теплоносителя на 3-5 °C ниже температуры окружающего воздуха и возможность использования скрытой теплоты конденсации влаги и инееобразования атмосферного воздуха (гелиоабсорбционные панели). Теплоноситель нагретый в этих панелях догревался тепловым насосом («воздух-вода»). В МИСИ был сооружён испытательный стенд с термонейтральными солнечными коллекторами и несколько гелиоустановок в Молдавии.

Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС) разработал и выпускал СК со штампосварным алюминиевым абсорбером, заливной пенополиуретановой теплоизоляцией корпуса. С 1991 года производство СК было передано на Бакинский завод по обработке сплавов цветных металлов. В ВИЛС в 1981 году были разработаны Методические указания по проектированию энергоактивных зданий. В них впервые в СССР абсорбер был интегрирован в конструкцию здания, что улучшало экономику использования солнечной энергии. Лидерами этого направления были к.т.н. Н. П. Селиванов и к.т.н. В. Н. Смирнов.

Центральным научно-исследовательским институтом инженерного оборудования (ЦНИИ ЭПИО) в Москве был разработан проект, по которому в Ашхабаде построена солнечно-топливная котельная мощностью 3,7 МВт, разработан проект солнечно-теплонасосной установки гостиницы «Приветливый берег» в городе Геленджике с площадью СК 690 м². В качестве тепловых насосов применены три холодильных машины МКТ 220-2-0, работающие в режиме тепловых насосов с использованием тепла морской воды .

Ведущей организацией СССР по проектированию гелиоустановок являлся институт КиевЗНИИЭП, в котором разработано 20 типовых и повторно применяемых проектов: отдельно стоящей установки солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией для индивидуального жилого дома; унифицированной установки солнечного горячего водоснабжения общественных зданий производительностью 5, 7, 15, 25, 30, 70 м³/сут.; узлов, деталей и оборудования жилых и общественных зданий массового строительства; установки солнечного горячего водоснабжения сезонного действия производительностью 2,5; 10; 30; 40; 50 м³/сут.; технические решения и методические рекомендации по переоборудованию отопительных котельных в гелиотопливные установки.

Данным институтом были разработаны десятки экспериментальных проектов, в том числе системы солнечного горячего водоснабжения плавательных бассейнов, солнечно-теплонасосная установка горячего водоснабжения. По проекту КиевЗНИИЭП была построена самая большая в СССР гелиоустановка пансионата «Кастрополь» (село Береговое, ЮБК) в Крыму площадью 1600 м². На опытном заводе института КиевЗНИИЭП производились солнечные коллекторы, абсорберы которых выполнены из змеевиковых плавниковых алюминиевых труб собственного изготовления.

Теоретиками гелиотехники на Украине были д.т.н. Михаил Давидович Рабинович (1948 г.р.), к.т.н. Алексей Рувимович Ферт, к.т.н. Виктор Федорович Гершкович (1934-2013). Они являлись основными разработчиками Норм проектирования установок солнечного горячего водоснабжения и Рекомендаций по их проектированию . М. Д. Рабинович занимался исследованием солнечной радиации, гидравлическими характеристиками СК, гелиоустановок с естественной циркуляцией, солнечными системами теплоснабжения, солнечно-топливными котельными, гелиоустановками большой мощности, гелиотехническими системами . А. Р. Ферт разрабатывал конструкцию стенда-имитатора и проводил испытания СК, исследовал регулирование гидравлических гелиоустановок, повышение эффективности гелиоустановок. В Киевском инженерно-строительном институте многосторонними исследованиями гелиоустановок занимался к.т.н. Николай Васильевич Харченко. Он сформулировал системный подход к разработке гелиотеплонасосных систем теплоснабжения, предложил критерии оценки их энергетической эффективности, исследовал вопросы оптимизации гелиотопливной системы теплоснабжения, выполнил сравнение различных методов расчёта гелиосистем. Одна из его наиболее полных книг по малым (индивидуальным) солнечным гелиоустановкам отличается доступностью и информационностью. В Киевском Институте электродинамики над вопросами математического моделирования режимов работы гелиоустановок, СК, экспериментального исследования энергетических характеристик солнечных коллекторов работали к.т.н. А. Н. Стронский и к.т.н. А. В. Супрун. Над математическим моделированием гелиоустановок в Киеве работал также к.т.н. В. А. Никифоров.

Лидером научной инженерной школы гелиотехники Узбекистана (Ташкент) является д.т.н., профессор Раббанакул Рахманович Авезов (1942 г.р.). В 1966-1967 годах он работал в Ашхабадском Физико-техническом институте Туркменистана под руководством д.т.н., профессора В. А. Баума. Р. Р. Авезов развивает идеи учителя в Физико-техническом институте Узбекистана, который превратился в международный исследовательский центр.

Научные направления исследований Р. Р. Авезов сформулировал в докторской диссертации (1990 год, ЭНИН, Москва), а её результаты обобщены в монографии «Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения» . Он развивает в том числе методы эксергетического анализа плоских солнечных коллекторов, создания активных и пассивных систем солнечного отопления. Д.т.н. Р. Р. Авезов обеспечил большой авторитет и международное признание единственному в СССР и в странах СНГ специализированному журналу Applied Solar Energy («Гелиотехника»), который издаётся на английском языке. Его дочь Нилуфар Раббакумовна Авезова (1972 г.р.) — д.т.н., генеральный директор НПО «Физика-Солнца» АН Узбекистана.

Разработкой проектов гелиоустановок в Ташкентском зональном НИИ экспериментального проектирования жилых и общественных зданий (ТашЗНИИЭП) занимался к.т.н. Юсуф Каримович Рашидов (1954 г.р.). Институтом «ТашЗНИИЭП» были разработаны десять типовых проектов жилых домов, гелиодушевых, проект солнечно-топливной котельной, в том числе гелиоустановки производительностью 500 и 100 л/сут., гелиодушевые на две и четыре кабины. С 1984 по 1986 годы было реализовано 1200 типовых проектов гелиоустановок.

В Ташкентской области (посёлок Ильичевск) был построен двухквартирный солнечный дом с отоплением и горячим водоснабжением с гелиоустановкой площадью 56 м². В Каршинском госпединституте А.Т. Теймурханов, А.Б. Вардияшвили и др. занимались исследованиями плоских солнечных коллекторов.

Туркменскую научную школу солнечного теплоснабжения создал д.т.н. В. А. Баум, избранный в 1964 году академиком республики. В Ашхабадском физико-техническом институте он организовал отдел солнечной энергетики и до 1980 году руководил всем институтом. В 1979 году на базе отдела солнечной энергетики был создан Институт солнечной энергии Туркменистана, который возглавил ученик В. А. Баума — д.т.н. Реджеп Байрамович Байрамов (1933-2017). В пригороде Ашхабада (посёлок Бикрова) был построен научный полигон института в составе лабораторий, испытательных стендов, конструкторского бюро, мастерских с численностью работников 70 человек. В. А. Баум до конца жизни (1985) работал в данном институте. Р. Б. Байрамов совместно с д.т.н. Ушаковой Альдой Даниловной исследовал плоские солнечные коллекторы, солнечные системы отопления и солнечные опреснители . Примечательно, что в 2014 году в Ашхабаде был воссоздан Институт солнечной энергии Туркменистана — НПО «ГУН».

В проектно-производственном объединении «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) и Грузинском НИИ энергетики и гидротехнических сооружений под руководством д.т.н. Нугзара Варламовича Меладзе (1937 г.р.) были разработаны конструкции и освоен серийный выпуск солнечных коллекторов, индивидуальных гелиоустановок горячего водоснабжения, гелиоустановок и солнечно-теплонасосных систем. Были определены условия окупаемости сооружения гелиоустановок в различных регионах Грузии, на испытательном стенде в натурных условиях испытывались различные конструкции солнечных коллекторов .

Солнечные коллекторы «Спецгелиотепломонтажа» имели оптимальную для своего времени конструкцию: абсорбер штампосварной стальной с лакокрасочным покрытием, корпус — из алюминиевых профилей и оцинкованной стали, стекло оконное, теплоизоляция — из пенопласта и фольгорубероида.

По данным Н. В. Меладзе, только в регионе Кавказа к 1990 году было установлено 46,9 тыс. м² солнечных коллекторов, в том числе в санаториях и гостиницах — 42,7 %, на промышленных гелиоустановках — 39,2 %, сельскохозяйственных объектах — 13,8 %, спортивных объектах — 3,6 %, индивидуальных установках — 0,7 %.

По данным автора, в Краснодарском крае в 1988-1992 годах было установлено 4620 м² солнечных коллекторов «Спецгелиомонтажа» . Работа СГТМ осуществлялась в сотрудничестве с учёными из Грузинского НИИ энергетики и гидротехнических сооружений (ГруНИИЭГС).

Институтом «ТбилЗНИИЭП» были разработаны пять типовых проектов гелиоустановок (ГУ), а также проект солнечно-теплонасосной установки. СГТМ имела в своём составе лабораторию, в которой исследовались солнечные коллекторы, тепловые насосы. Были разработаны стальные, алюминиевые, пластиковые жидкостные абсорберы, воздушные СК со стеклом и без него, СК с концентраторами, различные конструкции термосифонных индивидуальных ГУ. По состоянию на первое января 1989 года «Спецгелиомонтажем» были построены 261 ГУ общей площадью 46 тыс. м² и 85 индивидуальных гелиоустановок для систем ГВС площадью 339 м².

На рис. 2 представлена гелиоустановка по улице Рашпилевской в Краснодаре, успешно работавшая 15 лет с коллекторами «Спецгелиотепломонтажа» (320 шт. общей площадью 260 м²).

Развитием солнечного теплоснабжения в СССР и в России со стороны властных структур занимался д.т.н. Павел Павлович Безруких (1936 г.р.). В 1986-1992 году он в должности главного специалиста Бюро Совета Министров СССР по топливноэнергетическому комплексу курировал серийное производство солнечных коллекторов на братском заводе отопительного оборудования, в Тбилиси в объединении «Спецгелиотепломонтаж» на Бакинском заводе по обработке цветных сплавов. По его инициативе и при непосредственном участии была разработана первая в СССР программа развития возобновляемой энергетики на 1987-1990 годы.

П. П. Безруких с 1990 году принимал самое активное участие в разработке и реализации раздела «Нетрадиционная энергетика» Государственной научно-технической программы «Экологически безопасная энергетика». Он отмечает главную роль научного руководителя программы д.т.н. Э. Э. Шпильрайна по привлечению к работе ведущих учёных и специалистов СССР по ВИЭ. С 1992 по 2004 годы П. П. Безруких, работая в Министерстве топлива и энергетики России и возглавляя отдел, а затем и управление научнотехнического прогресса, руководил организацией производства солнечных коллекторов на Ковровском механическом заводе, НПО «Машиностроение» (город Реутов, Московская область), комплексом научно-технических разработок по солнечному теплоснабжению, реализацией Концепции разработки и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики России. Участвовал в разработке первого российского стандарта ГОСТ Р 51595-2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия» и решении разногласий автора проекта ГОСТ Р д.т.н. Б. В. Тарнижевского и главного конструктора изготовителя коллекторов (Ковровского механического завода) А. А. Лычагина.

В 2004-2013 годах в Институте энергетической стратегии (Москва), а затем в должности заведующего отделения энергосбережения и возобновляемых источников ЭНИНа П. П. Безруких продолжает разработки, в том числе по солнечному теплоснабжению.

В Краснодарском крае работы по проектированию и строительству гелиоустановок начаты инженером-теплоэнергетиком В. А. Бутузовым (1949 г.р.) возглавившим перспективное развитие теплоснабжения производственного объединения «Кубаньтеплокоммунэнерго». С 1980 по 1986 годы были разработаны проекты и построены шесть солнечно-топливных котельных общей площадью 1532 м². За эти годы были налажены конструктивные отношения с изготовителями СК: Братским заводом, «Спецгелиотепломонтажом», КиевЗНИИЭПом. В связи с отсутствием в 1986 году в советских климатологических справочниках данных по солнечной радиации, с 1977 по 1986 годы с метеостанций Краснодара и Геленджика были получены достоверные результаты для проектирования гелиоустановок.

После защиты кандидатской диссертации в 1990 году, работы по развитию гелиотехники были продолжены организованной В. А. Бутузовым Краснодарской лабораторией энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства (Москва). Были разработаны и усовершенствованы несколько конструкций плоских СК, стенд для их натурных испытаний. В результате обобщения опыта проектирования и строительства гелиоустановок был разработаны «Общие требования к проектированию гелиоустановок и ЦТП в коммунально-бытовом хозяйстве».

На основании анализа результатов обработки значений суммарной солнечной радиации для условий Краснодара за 14 лет, а Геленджика — за 15 лет в 2004 году предложен новый способ предоставления месячных значений суммарной солнечной радиации с определением их максимальных и минимальных величин, вероятности их наблюдения. Определены расчётные месячные и годовые значения суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации для 54 городов и административных центров Краснодарского края. Установлено, что для объективного сопоставления СК различных производителей помимо сравнения их стоимостей и энергетических характеристик, полученных по стандартной методике на сертифицированных испытательных стендах, необходимо учитывать затраты энергии на их изготовление и эксплуатацию. Оптимальная стоимость конструкции СК определяется в общем случае соотношением стоимости выработанной тепловой энергии и затратами на изготовление, эксплуатацию за расчётный срок службы. Совместно с Ковровским механическим заводом разработана и серийно выпускалась конструкция СК, имевшая оптимальные для российского рынка соотношение стоимости и энергетических затрат. Разработаны проекты и осуществлено строительство типовых гелиоустановок горячего водоснабжения суточной производительностью от 200 л до 10 м³. С 1994 года работы по гелиоустановкам были продолжены в АО «Южно-Русская энергетическая компания». С 1987 по 2003 годы выполнена разработка и строительство 42 гелиоустановок, а также завершено проектирование 20 гелиоустановок . Результаты работы В.А. Бутузова были обобщены в докторской диссертации, защищённой в ЭНИН (Москва).

С 2006 по 2010 годы ООО «Теплопроектстрой» разрабатывал и строил гелиоустановки котельных малой мощности, при установке в которых СК в летнее время сокращается эксплуатационный персонал, что снижает срок окупаемости гелиоустановок. В эти годы разрабатывались и строились самодренируемые гелиоустановки, при остановке насосов в которых вода сливается из СК в баки, предотвращая перегрев теплоносителя. В 2011 году создана конструкция, изготовлены опытные экземпляры плоских СК, разработан испытательный стенд для организации производства СК в Ульяновске. С 2009 по 2013 год в АО «Южгеотепло» (Краснодар) разработало проект и построило самую большую гелиоустановку в Краснодарском крае площадью 600 м² в городе Усть-Лабинск (рис. 3). При этом были выполнены исследования по оптимизации компоновки СК с учётом затенения, автоматизации работы, схемные решения. Разработана и построена геотермальная солнечная система теплоснабжения площадью 144 м² в посёлке Розовом Краснодарского края. В 2014 году разработана методика оценки экономической окупаемости гелиоустановок в зависимости от интенсивности солнечной радиации, КПД гелиоустановки, удельной стоимости замещаемой тепловой энергии .

Многолетнее творческое сотрудничество В. А. Бутузова с д.т.н., профессором Кубанского государственного аграрного университета Робертом Александровичем Амерхановым (1948 г.р.) реализовано в разработке теоретических основ создания гелиоустановок большой мощности и комбинированных геотермально-солнечных систем теплоснабжения . Под его руководством подготовлены десятки кандидатов технических наук, в том числе в области солнечного теплоснабжения. В многочисленных монографиях Р. А. Амерханова рассмотрены вопросы проектирования гелиоустановок сельскохозяйственного назначения.

Опытнейшим специалистом по проектированию гелиоустановок является главный инженер проектов института «Ростовтеплоэлектропроект» к.т.н. Адольф Александрович Чернявский (1936 г.р.). Этим направлением он в инициативном порядке занимался более 30 лет. Им разработаны десятки проектов, многие из которых реализованы в России и других странах. Уникальные системы солнечного отопления и ГВС описаны в разделе института ОИВТ РАН . Проекты А. А. Чернявского отличаются проработкой всех разделов, включая детальное экономическое обоснование. На основе солнечных коллекторов Ковровского механического завода разработаны «Рекомендации по проектированию солнечных станций теплоснабжения».

Под руководством А. А. Чернявского созданы уникальные проекты фотоэлектрических станций c тепловыми коллекторами в городе Кисловодске (6,2 МВт электрических, 7 МВт тепловых), а также станция в Калмыкии общей установленной мощностью 150 МВт. Выполнены уникальные проекты термодинамических солнечных электростанций установленной электрической мощностью 30 МВт в Узбекистане, 5 МВт — в Ростовской области; реализованы проекты гелиоустановок пансионатов на побережье Чёрного моря площадью 40-50 м² для систем солнечного отопления и ГВС объектов специальной астрофизической обсерватории в Карачаево-Черкесии. Для института «Ростовтеплоэлектропроект» характерен масштаб разработок — солнечные станции теплоснабжения жилых посёлков, городов. Основные результаты разработок этого института, проводимые совместно с ОИВТ РАН, опубликованы в книге «Автономные системы энергоснабжения» .

Развитием гелиоустановок в Сочинском государственном университете (Институт курортного дела и туризма) руководил д.т.н., профессор Садилов Павел Васильевич, заведующий кафедрой инженерной экологии. Инициатор возобновляемой энергетики, он разработал и построил несколько гелиоустановок, в том числе в 1997 году в посёлке Лазаревском (город Сочи) площадью 400 м², гелиоустановку Института курортологии , несколько теплонасосных установок.

В Институте морских технологий Дальневосточного отделения РАН (город Владивосток) заведующим лаборатории нетрадиционной энергетики к.т.н. Александром Васильевичем Волковым, трагически погибшим в 2014 году, были разработаны и построены десятки гелиоустановок общей площадью 2000 м², стенд для натурных сравнительных испытаний солнечных коллекторов, новые конструкции плоских СК, проверена эффективность вакуумных СК китайских производителей .

Выдающийся конструктор и человек Адольф Александрович Лычагин (1933- 2012) являлся автором нескольких типов уникальных зенитных управляемых ракет, в том числе «Стрела-10М». В 1980-е годы он в должности главного конструктора (в инициативном порядке) на военном Ковровском механическом заводе (КМЗ) разработал солнечные коллекторы, которые отличала высокая надёжность, оптимальное соотношение цены и энергетической эффективности. Он смог убедить руководство завода освоить серийное производство солнечных коллекторов, и создать заводскую лабораторию по испытанию СК. С 1991 по 2011 годы КМЗ произвёл около 3000 шт. солнечных коллекторов, каждая из трёх модификаций которых отличалась новыми эксплуатационными качествами. Руководствуясь «мощностной ценой» коллектора, при которой стоимости разных конструкций СК сравниваются при одинаковой солнечной радиации, А. А. Лычагин создал коллектор с абсорбером из латунной трубчатой решётки со стальными поглощающими рёбрами. Были разработаны и изготовлены воздушные солнечные коллекторы . Высочайшая инженерная квалификация и интуиция сочетались в Адольфе Александровиче с патриотизмом, стремлением развивать экологически безопасные технологии, принципиальностью, высоким художественным вкусом. Перенеся два инфаркта, он смог специально за тысячу километров приехать в Мадрид, чтобы в музее Прадо два дня изучать великолепные полотна.

АО «ВПК «НПО Машиностроения» (город Реутов, Московская область) занимается производством солнечных коллекторов с 1993 года. Разработка конструкций коллекторов и солнечных водонагревательных установок на предприятии выполняется конструкторским подразделением ЦКБ машиностроения. Руководитель проекта — к.т.н. Николай Владимирович Дударев. В первых конструкциях солнечных коллекторов корпуса и штампосварочные абсорберы изготавливались из нержавеющей стали. На основе коллектора 1,2 м² на предприятии были разработаны и изготавливались солнечные термосифонные водонагревательные установки с баками вместимостью 80 и 120 л. В 1994 году была разработана и внедрена в производство технология получения селективного поглощающего покрытия методом вакуумного электродугового напыления, в 1999 году дополнившаяся магнетронным способом вакуумного напыления. На основе этой технологии было начато производство солнечных коллекторов типа «Сокол». Абсорбер и корпус коллектора изготавливались из алюминиевых профилей. Сейчас НПО производит солнечные коллекторы «Сокол-Эффект» с листотрубными медными и алюминиевыми абсорберами. Единственный российский солнечный коллектор сертифицирован по европейским нормам институтом SPF из Рапперсвилла в Швейцарии (Institut für Solartechnik Hochschule für Technik Rappelswill).

Научно-производственное предприятие «Конкурент» (с 2000 года — «Радуга-Ц», город Жуковский, Московской область) с 1992 года выпускало солнечные коллекторы «Радуга». Главный конструктор — Вячеслав Алексеевич Шершнев.

Штампосварный абсорбер производился из листовой нержавеющей стали. Покрытие абсорбера — селективное PVD или чёрной матовой термостойкой краской. Годовая программа НПП до 4000 шт. Энергетические характеристики коллектора получены при испытании в ЭНИН. Производилась также термосифонная гелиоустановка «Радуга-2М» в составе двух СК по 1 м² и бака вместимостью 200 л. В баке были плоская греющая панель, в которую поступал теплоноситель от СК, а также дублирующий электронагреватель мощностью 1,6 кВт.

ООО «Новый Полюс» (Москва) — второй российский производитель, разработавший собственные конструкции и в настоящее время производящий плоские жидкостные, плоские воздушные, плоские воздушно-жидкостные, трубчатые вакуумные солнечные коллекторы, выполняет проекты и монтаж гелиоустановок. Генеральный директор — Алексей Викторович Скоробатюк.

Предлагаются четыре модели плоских жидкостных коллекторов типа «ЯSolar». Все жидкостные абсорберы данного производителя выполнены из медного листа с селективным Tinox-покрытием и медных трубок. Соединение трубок с листом паянное с обвальцовкой. ООО «Новый Полюс» предлагает также три типа вакуумных трубчатых СК собственного изготовления с медными абсорберами с U-образными трубками.

Выдающийся специалист, энергичный и высокоинтеллектуальный человек Геннадий Павлович Касаткин (1941 г.р.) — горный инженер и проектировщик с многолетним стажем — начал заниматься гелиотехникой в 1999 году в городе Улан-Уде (Бурятия). В организованном им Центре энергоэффективных технологий (ЦЭФТ) были разработаны несколько конструкций жидкостных и воздушных коллекторов, построено около 100 гелиоустановок различных типов общей площадью 4200 м². На основе выполненных им расчётов изготавливались опытные образцы, которые после испытаний в натурных условиях тиражировались на гелиоустановках Республики Бурятия.

Инженером Г. П. Касаткиным разработаны несколько новых технологий: сварки пластиковых абсорберов, изготовление корпусов коллекторов.

Единственный в России, он разработал и построил несколько воздушных гелиоустановок с коллекторами собственной конструкции. Хронологически его разработки солнечных коллекторов начались с 1990 года со сварных листотрубных стальных абсорберов. Затем появились варианты медных и пластиковых коллекторов со сварными и соединяемыми обжимом абсорберами и, наконец, современные конструкции с европейскими медными селективными листами и трубками. Г. П. Касаткин, развивая концепцию энергоактивных зданий, построил гелиоустановку, коллекторы которой интегрированы в кровлю здания. В последние годы инженер передал руководящие функции в ЦЭФТ своему сыну И. Г. Касаткину, успешно продолжающему традиции фирмы ООО «ЦЭФТ».

На рис. 4 представлена гелиоустановка гостиницы «Байкал» в городе Улан-Уде площадью 150 м².

Выводы

1. Расчётные данные солнечной радиации для проектирования гелиоустановок в СССР основывались на разнообразных методиках обработки массивов измерений метеостанций. В РФ эти методики дополнены материалами международных спутниковых компьютерных баз данных.

2. Ведущей школой по проектированию гелиоустановок в Советском союзе был институт КиевЗНИИЭП, которым были разработаны руководящие документы и десятки проектов. В настоящее время актуальные российские нормы и рекомендации отсутствуют. Проекты гелиоустановок на современном уровне выполняются в российском институте «Ростовтеплоэлектропроект» (к.т.н. А.А. Чернявский) и в компании ООО «ЭнерготехнологииСервис» (к.т.н. В.В. Бутузов, Краснодар).

3. Технико-экономическими исследованиями гелиоустановок в СССР занимались ЭНИН (Москва), КиевЗНИИЭП, ЦНИИЭПИО (Москва). В настоящее время эти работы ведутся в институте «Ростовтеплоэлектропроект» и в компании ООО «Энерготехнологии-Сервис».

4. Ведущей научной организацией СССР по исследованию солнечных коллекторов был Энергетический институт имени Г. М. Кржижановского (Москва). Лучшую для своего времени конструкцию коллекторов производил «Спецгелиотепомонтаж» (Тбилиси). Из российских производителей Ковровский механический завод выпускал солнечные коллекторы с оптимальным соотношением цены и энергоэффективности. Современные российские производители собирают коллекторы из зарубежных комплектующих.

5. В СССР проектирование, изготовление солнечных коллекторов, монтаж и наладку выполняла фирма «Спецгелиотепломонтаж». До 2010 года по такой схеме работала фирма ООО «ЦЭФТ» (Улан-Удэ).

6. Анализ отечественного и зарубежного опыта солнечного теплоснабжения показал несомненные перспективы его развития в России, а также необходимость государственной поддержки. В числе первоочередных мероприятий: создание российского аналога компьютерной базы данных солнечной радиации; разработка новых конструкций солнечных коллекторов с оптимальным соотношением цены и энергоэффективности, новых энергоэффективных проектных решений с адаптированием к российским условиям.

Сессии, съезды, конференции, первое Всесоюзное совещания по гелиотехнике. [Электр. текст]. Режим доступа: fs.nashaucheba.ru. Дата обращ. 15.05.2018.
Петухов В.В. Солнечные водонагреватели трубчатого типа. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1949. 78 с.
Бутузов В.А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии: Дисс. докт. техн. наук по спец. 05.14.08. - Краснодар: ЭНИН, 2004. 297 с.
Тарнижевский Б.В. Солнечный круг. Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского: Воспоминания старейших сотрудников / Аладьев И.Т. и др. // РАО «ЕЭС России». - М.: ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, 2000. 205 с.
Тарнижевский Б.В., Мышко Ю.Л., Мойсеенко В.В. Обобщённый критерий оптимизации конструкций плоских солнечных коллекторов // Гелиотехника, 1992. №4. С. 7–12.
Попель О.С. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии - новый сектор современной энергетики и результаты работы: ОИВТ РАН. Итоги и перспективы. Сб. статей, посвящ. 50-летию ОИВТ РАН. - М.: Изд-во ОИВТ РАН, 2010. С. 416–443.
Попель О.С., Фортов В.Е. Возобновляемая энергетика в современном мире. - М.: Изд-во МЭИ, 2015. 450 с.
Валов М.И., Казанджан Б.И. Системы солнечного теплоснабжения. - М.: Изд-во МЭИ, 1991. 140 с.
Практика проектирования и эксплуатации систем солнечного теплои хладоснабжения. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. 243 с.
ВСН 52-86. Установки солнечного горячего водоснабжения. - М.: Госгражданстрой СССР, 1987. 17 с.
Рекомендации по проектированию установок солнечного горячего водоснабжения для жилых и общественных зданий. - Киев: КиевЗНИИЭП, 1987. 118 с.
Рабинович М.Д. Научно-технические основы использования солнечной энергии в системах теплоснабжения: Дисс. докт. техн. наук по спец. 05.14.01. - Киев, 2001. 287 с.
Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 208 с.
Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. - Ташкент: ФАН, 1988. 284 с.
Байрамов Р.Б., Ушакова А.Д. Системы солнечного теплоснабжения в энергетическом балансе южных регионов страны. - Ашхабад: Ылым, 1987. 315 с.
Системы солнечного и хладоснабжения / Под ред. Э.В. Сарнацкого и С.А. Чистовина. - М.: Стройиздат, 1990. 308 с.
Бутузов В.А., Бутузов В.В. Использование солнечной энергии для производства тепловой энергии. - М.: Теплоэнергетик, 2015. 304 с.
Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Гарькавый К.А. Вопросы теории и инновационных решений при использовании гелиоэнергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 2009. 502 с.
Зайченко В.М., Чернявский А.А. Автономные системы энергоснабжения. - М.: Недра, 2015. 285 с.
Садилов П.В., Петренко В.Н., Логинов С.А., Ильин И.К. Опыт использования ВИЭ в регионе Сочи // Промышленная энергетика, 2009. №5. С. 50–53.
Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Солнечные водонагревательные установки в Приморском крае // Журнал С.О.К., 2006. №10. С. 88–90.
Лычагин А.А. Солнечное воздушное теплоснабжение в регионах Сибири и Приморья // Промышленная энергетика, 2009. №1. С. 17–19.

Системы отопления разделяют следующим образом: на пассивные (см. гл. 5); активные, которые в большинстве используют жидкостные солнечные коллекторы и баки-аккумуляторы; комбинированные.

За рубежом широкое распространение получили системы воздушного отопления, где в качестве аккумуляторов используют конструкции здания или специальную каменную засыпку под ним. В нашей стране в этом направлении работают ФТИ АН УзССР и ТбилЗНИИЭП, однако результаты работ явно недостаточны и отлаженных решений не создано, хотя воздушные системы теоретически эффективнее жидкостных, в которых собственно система отопления выполнена низкотемпературной панельно-лучистой или высокотемпературной с обычными нагревательными приборами. В нашей стране здания с жидкостными системами разработаны ИВТАН, ФТИ АН УзССР, ТашЗНИИЭП, ТбилЗНИИЭП, КиевЗНИИЭП и др. и в ряде случаев возведены.

Большой объем информации по активным системам солнечного отопления приведен в вышедшей в 1980 г. книге . Далее же описаны разработанные КиевЗНИИЭП, построенные и испытанные два индивидуальных жилых дома с автономными системами солнечного теплоснабжения: с низкотемпературной панельно-лучистой системой отопления (жилой дом в с. Колесное Одесской обл.) и с тепловым насосом (жилой дом в с. Букурия Молдавской ССР).

При разработке системы солнечного теплоснабжения жилого дома в с. Колесное внесен ряд изменений в архитектурно-строительную часть дома (проект УкрНИИПграждансельскстрой), направленных на его приспособление к требованиям солнечного теплоснабжения: использована эффективная кладка с утеплителем для наружных стен и тройное остекление оконных проемов; змеевики системы отопления совмещены с междуэтажными перекрытиями; предусмотрен подвал для размещения оборудования ; проведено дополнительное утепление чердака и утилизация тепла вытяжного воздуха.

В архитектурно-компоновочном отношении дом выполнен в двух уровнях. На первом этаже размещены передняя, общая комната, спальня, кухня, ванная комната и кладовые, а на втором - две спальни и санузел, предусмотрена электроплита для приготовления пищи. Оборудование системы солнечного теплоснабжения (кроме коллекторов) расположено в подвале; дублером системы служат электроводонагреватели, что позволяет осуществить единый энерговвод в здание и повысить комфортные качества жилья.

Система солнечного теплоснабжения жилого дома (рис. 4.1) состоит Из трех контуров: теплоприемного циркуляционного и контуров отопления и горячего водоснабжения. В состав первого из них входят солнечные водонагреватели, змеевик-теплообменник бака-аккумулятора, циркуляционный насос и теплообменник "труба в трубе" для работы системы в летнее время в режиме с естественной циркуляцией. Оборудование объединено системой трубопроводов с арматурой, контрольно-измерительными приборами и приборами автоматики. В бак-аккумулятор вместимостью 16 м3 вмонтированы двухсекционный змеевиковый теплообменник с площадью поверхности 4,6 м2 для теплоносителя циркуляционного контура и односекционной теплообменник с площадью поверхности 1,2 м2 для системы горячего водоснабжения. Теплоемкость бака с температурой воды в нем +45 °С обеспечивает трехсуточную потребность жилого дома в тепле. Теплообменник типа "труба в трубе" поверхностью 1,25 м2 размещен под коньком крыши дома.

Контур отопления состоит из двух последовательно соединенных участков: панельно-лучистого с поточными отопительными панелями, обеспечивающими работу системы в базовом режиме с перепадом температур воды 45 ... 35 °С, и вертикально-однотрубного с конвекторами типа "Комфорт", обеспечивающими пиковые нагрузки системы отопления с перепадом температур воды 75 ... 70 °С. Змеевики труб отопительных панелей замоноличены в штукатурно-отделочныи слой круглопустотных панелей потолочного перекрытия. Конвекторы устанавливаются под окнами. Циркуляция в системе отопления - побудительная. Пиковый подогрев воды осуществляется проточным электроводонагревателем ЭПВ-2 мощностью 10 кВт; он же служит дублером системы отопления.

В состав контура горячего водоснабжения входит теплообменник, встроенный в бак-аккумулятор, и второй проточной электроводонагреватель в качестве доводчика и дублера системы.

В течение отопительного периода теплота от коллекторов передается теплоносителем (45 %-м водным раствором этиленгликоля) воде в бак-аккумуляторе, которая насосом направляется в змеевики отопительной панели, а затем возвращается вновь в бак-аккумулятор.

Необходимая температура воздуха в помещении дома поддерживается автоматическим регулятором РРТ-2 путем включения и выключения электроводоподогревателя на конвекторном участке системы отопления.

Летом система обеспечивает потребности горячего водоснабжения от теплообменника типа "труба в трубе" при естественной циркуляции теплоносителя в теплоприемном контуре. Переход на побудительную циркуляцию осуществляется с помощью электронного дифференциального регулятора РРТ-2.

Система солнечного теплоснабжения четырехкомнатного жилого дома в с. Букурия Молдавской ССР запроектирована институтом Молдгипрограждансельстрой под научным руководством КиевЗНИИЭП.

Жилой дом - мансардного типа. На первом этаже находятся общая комната, кухня, постирочная, хозяйственное помещение, а на втором - три спальни. В цокольном этаже размещены гараж, погребла также помещение для оборудования системы солнечного теплоснабжения. С домом блокируется хозяйственная постройка, которая включает в себя летнюю кухню, душ, навес, инвентарную и мастерскую.

Автономная система солнечного теплоснабжения (рис. 4.2) представляет собой комбинированную солнечно-теплонасосную установку, предназначенную для обеспечения нужд отопления (расчетные тепло - потери дома 11 кВт) и горячего водоснабжения в течение всего года. Недостаток солнечной теплоты и теплоты от компрессора теплонасос - ной установки покрывается за счет электроподогрева. Система состоит из четырех контуров: теплоприемного циркуляционного, контуров теплонасосной установки, отопления и горячего водоснабжения.

В состав оборудования теплоприемного контура входят солнечные коллекторы, теплообменник "труба в трубе" и бак-аккумулятор вместимостью 16 м3 с встроенным в него теплообменником с площадью поверхности 6 м2. Солнечные коллекторы конструкции КиевЗНИИЭП с двухслойным остеклением общей площадью 70 м2 размещены в раме на южном скате крыши дома под углом 55° к горизонту. В качестве теплоносителя использован 45 %-й водный раствор этиленгликоля. Теплообменник размещен под коньком крыши, а остальное оборудование расположено в подвальном помещении дома.

В качестве теплонасосной установки служит компрессорно-конден - саторный холодильный агрегат АК1-9 теплопроизводительностью 11,5 кВт и потребляемой мощностью 4,5 кВт. Рабочим агентом теплонасосной установки является фреон-12. Компрессор - поршневой бессальниковый, конденсатор и испаритель - кожухотрубные с водяным охлаждением.

В состав оборудования контура отопления входят циркуляционный насос, отопительные приборы типа "Комфорт" проточный электроводонагреватель ЭПВ-2 в качестве доводчика и дублера. В состав оборудования контура горячего водоснабжения входят емкостный (0,4 м3) водонагреватель типа СТД с поверхностью теплообменника 0,47 м2 и концевой электронагреватель БАС-10/М 4-04 мощностью 1 кВт. Циркуляционные насосы всех контуров - типа ЦВЦ, бессальниковые, вертикальные, малошумные, бесфундаментные.

Система работает следующим образом. Теплоноситель передает тепло от коллекторов воде в баке-аккумуляторое й фреону в испарителе теплового насоса. Парообразный фреон после сжатия в компрессоре конденсируется в конденсаторе, нагревая при этом воду в системе отопления и водопроводную воду в системе горячего водоснабжения.

При отсутствии солнечной радиации и израсходовании теплоты, запасенной в баке-аккумуляторе, теплонасосная установка выключается и теплоснабжение дома осуществляется полностью от электроводонагревателей (электрокотлов). Зимой теплонасосная установка находится в работе только при определенном уровне отрицательных температур наружного воздуха (не ниже - 7 °С) с тем, чтобы исключить замерзание воды в баке-аккумуляторе. Летом система горячего водоснабжения обеспечивается теплотой в основном при естественной циркуляции теплоносителя через теплообменник типа "труба в трубе". В результате осуществления различных режимов работы комбинированная солнечно-теплонасосная установка позволяет сберечь теплоты около 40 ГДж/год (результаты эксплуатации этих установок приведены в гл. 8).

Сочетание солнечной энергии и тепловых насосов нашло ^ зое отражение и в разработанном ЦНИИЭП инженерного оборудования

Рис. 4.3. Принципиальная схема системы теплоснабжения в г. Геленджике

1 - солнечный коллектор; 2 - теплообменник догрева с теплоносителем от контура конденсатора тепловых насосов; 3 - теплообменник догрева с теплоносителем от тепловой сети; 4 - насос контура конденсатора; 5 - тепловой насос; 6 - насос контура испартеля; 7 - теплообменник подогрева (охлаждения) воды контура испарителя (конденсатора); 8 - Теплообменник подогрева исходной (сырой) воды; 9 - насос горячего водоснабжения; 10 - Аккумуляторные баки; 11 - теплообменник солнечного контура; 12 - насос солнечного контура

Проекте теплоснабжения гостиничного комплекса "Приветливый берег" в г. Геленджике {рис. 4.3).

Основу солнечно-теплонасосной установки составляют: плоские солнечные коллекторы общей площадью 690 м2 и тре серийно выпускаемые холодильные машины MKT 220-2-0, работающие в режиме теплового насоса. Расчетная годовая выработка теплоты составляет около 21000 ГДж, в том числе солнечной установкой - 1470 ГДж.

Низкопотенциальным источником тепла для тепловых насосов служит морская вода. Для обеспечения безкоррозионного и безнакипного режима работы поверхностей нагрева коллекторов, трубопроводов и конденсаторов их заполняют умягченной и деаэрированной водой тепловой сети. По сравнению с традиционной схемой теплоснабжения от котельной привлечение нетрадиционных источников тепла -

Солнца и морской воды, позволяет сэкономить около 500 т усл. топл /год.

Другим характерным примером использования новых источников энергии является проект теплоснабжения усадебного дома с помощью

Солнечно-теплонасосной установки. Проект предусматривает круглогодичное полное удовлетворение потребностей отопления и горячего водоснабжения усадебного дома мансардного типа жилой площадью 55 м2. Низкопотенциальным источником теплоты для теплового насоса служит грунт. Предположительный экономический эффект от внедрения системы - не менее 300 руб. на квартиру по сравнению с традиционным вариантом теплоснабжения от твердотопливного аппарата.

Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха. Солнце светит и зимой, но его излучение обычно недооценивается.

Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей самой низкой точке, а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60°С.

Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха в помещениях. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать основное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии, а соответственно и деньги. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилья (дачи, бунгало), обогрев солнечной энергией особенно полезен зимой, т.к. исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются.

При отоплении домов с помощью солнечного тепла необходимо решать проблему теплоизоляции помещений на основе архитектурно-конструктивных элементов, т.е. при создании эффективной системы солнечного отопления следует возводить дома, имеющие хорошие теплоизоляционные свойства.

Стоимость тепла
Вспомогательное отопление

Солнечный вклад в отопление дома
К сожалению, период поступления тепла от Солнца далеко не всегда совпадает по фазе с периодом появления тепловых нагрузок.

Большая часть энергии, которая имеется в нашем распоряжении в течение летнего периода, теряется из-за отсутствия постоянного спроса на нее (на самом деле коллекторная система является до некоторой степени системой саморегулирующейся: когда температура носителя достигает равновесного значения, тепловосприятие прекращается, поскольку тепловые потери от солнечного коллектора становятся равными воспринимаемому теплу).

Количество полезного тепла, поглощенного солнечным коллектором, зависит от 7 параметров:

1. величины поступающей солнечной энергии;
2. оптических потерь в прозрачной изоляции;
3. поглощающих свойств тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора;
4. эффективности теплоотдачи от теплоприемника (от тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора к жидкости, т.е. от величины эффективности теплоприемника);
5. пропускательной способности прозрачной теплоизоляции, которая определяет уровень тепловых потерь;
6. температуры тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора, которая в свою очередь зависит от скорости теплоносителя и температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор;
7. температуры наружного воздуха.

Эффективность солнечного коллектора, т.е. отношение использованной энергии и падающей, будет определяться всеми этими параметрами. При благоприятных условиях она может достичь 70%, а при неблагоприятных снизиться до 30%. Точное значение эффективности можно получить при предварительном расчете только путем полного моделирования поведения системы с учетом всех факторов, перечисленных выше. Очевидно, что такая задача может быть решена только с применением компьютера.

Поскольку плотность потока солнечной радиации постоянно меняется, то для расчетных оценок можно пользоваться полными суммами радиации за день или даже за месяц.

В табл. 1 в качестве примера приведены:

средние месячные суммы поступления солнечной радиации, измеренные на горизонтальной поверхности;

суммы, рассчитанные для вертикальных стен, обращенных на юг;

суммы для поверхностей с оптимальным углом наклона 34° (для Кью, близ Лондона).

Таблица 1. Месячные суммы прихода солнечной радиации для Кью (близ Лондона)

Из таблицы видно, что поверхность с оптимальным углом наклона получает (в среднем в течение 8 зимних месяцев) примерно в 1,5 раза больше энергии, чем горизонтальная поверхность. Если известны суммы прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность, то для пересчета на наклонную поверхность их можно умножить на произведение этого коэффициента (1,5) и принятого значения эффективности солнечного коллектора, равного 40%, т.е.

1,5*0,4=0,6

При этом получится количество полезной энергии, поглощенной наклонной тепловоспринимающей поверхностью в течение данного периода.

Для того, чтобы определить эффективный вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания даже путем ручного подсчета, необходимо составить по крайней мере месячные балансы потребностей и полезного тепла, получаемого от Солнца. Для наглядности рассмотрим пример.

Если использовать приведенные выше данные и рассмотреть дом, для которого интенсивность тепловых потерь составляет 250 Вт/°C, местоположение характеризуется годовым числом градусо-дней равным 2800 (67200°C*ч). а площадь солнечных коллекторов составляет, например, 40 м2, то получается следующее распределение по месяцам (см. табл. 2).

Таблица 2. Расчет эффективного вклада солнечной энергии

Месяц	°C*ч/мес	Сумма радиации на горизонтальной поверхности, кВт*ч/м2	Полезное тепло на единицу площади коллектора (D0,6), кВтч/м2	Суммарное полезное тепло (E40 м2), кВтч	Солнечный вклад, кВт*ч/м2
A	B	C	D	E	F	G
Январь	10560	2640	18,3	11	440	440
Февраль	9600	2400	30,9	18,5	740	740
Март	9120	2280	60,6	36,4	1456	1456
Апрель	6840	1710	111	67,2	2688	1710
Май	4728	1182	123,2	73,9	2956	1182
Июнь	-	-	150,4	90,2	3608	-
Июль	-	-	140,4	84,2	3368	-
Август	-	-	125,7	75,4	3016	-
Сентябрь	3096	774	85,9	51,6	2064	774
Октябрь	5352	1388	47,6	28,6	1144	1144
Ноябрь	8064	2016	23,7	14,2	568	568
Декабрь	9840	2410	14,4	8,6	344	344
Сумма	67200	16800	933	559,8	22392	8358

Стоимость тепла
Подсчитав количество тепла, обеспечиваемого за счет Солнца, необходимо представить его в денежном выражении.

Стоимость выработанного тепла зависит от:

стоимости топлива;

теплотворной способности топлива;

общей эффективности системы.

Полученные таким образом эксплуатационные расходы можно затем сравнить с капитальными затратами на солнечную отопительную систему.

В соответствии с этим, если считать, что в рассмотренном выше примере солнечная отопительная система используется вместо традиционной системы отопления, потребляющей, например, газовое топливо и вырабатывающей тепло стоимостью 1,67 руб/кВт*ч, то, чтобы определить полученную годовую экономию, надо 8358 кВт*ч, обеспечиваемых за счет солнечной энергии (согласно расчетам табл. 2 для площади коллектора 40 м2), умножить на 1,67 руб/кВт*ч, что дает

8358*1,67 = 13957,86 руб.

Вспомогательное отопление
Одним из вопросов, наиболее часто задаваемых людьми, которые хотят понять использование солнечной энергии для отопления (или другой цели), является вопрос: «Что делать, когда солнце не светит?» Поняв концепцию запасания энергии, они задают следующий вопрос: «Что делать, когда в аккумуляторе не остается больше тепловой энергии?» Вопрос закономерен, и необходимость в дублирующей, часто традиционной системе является серьезным камнем преткновения для широкого принятия солнечной энергии в качестве альтернативы существующим источникам энергии.

Если мощности системы солнечного теплоснабжения недостаточно, чтобы продержать здание в течение периода холодной, пасмурной погоды, то последствия, даже один раз за зиму, могут быть достаточно серьезными, заставляющими предусматривать в качестве дублирующей обычную полномерную систему отопления. Большинство зданий, отапливаемых солнечной энергией, нуждаются в полномерной дублирующей системе. В настоящее время в большинстве районов солнечная энергия должна рассматриваться в качестве средства снижения расхода традиционных видов энергии, а не как полный их заменитель.

Обычные отопители являются подходящими дублерами, но существует немало и других альтернатив, например:

Камины;
- дровяные печи;
- дровяные калориферы.

Предположим, однако, что нам захотелось сделать систему солнечного теплоснабжения достаточно большой, чтобы обеспечить теплом помещение в наиболее неблагоприятных условиях. Поскольку сочетание очень холодных дней и долгих периодов облачной погоды случается редко, то дополнительные размеры солнечной энергетической установки (коллектор и аккумулятор), которые потребуются для этих случаев, обойдутся слишком дорого при сравнительно небольшой экономии топлива. Кроме того, большую часть времени система будет работать при мощности ниже номинальной.

Система солнечного теплоснабжения, рассчитанная на обеспечение 50% отопительной нагрузки, может дать достаточно тепла только на 1 день очень холодной погоды. При удвоении размеров солнечной системы дом будет обеспечен теплом в течение 2 холодных пасмурных дней. Для периодов более 2 дней последующее увеличение размеров будет столь же неоправданным, как и предыдущее. Кроме того, будут периоды мягкой погоды, когда второе увеличение не потребуется.

Теперь, если увеличить площадь коллекторов отопительной системы еще в 1,5 раза, чтобы продержаться 3 холодных и облачных дня, то теоретически она будет достаточной для обеспечения 1/2 всей потребности дома в течение зимы. Но, разумеется, на практике этого может не быть, поскольку случается иногда 4 (и более) дня подряд холодной облачной погоды. Чтобы учесть этот 4-ый день, нам потребуется система солнечного отопления, которая теоретически может собрать в 2 раза больше тепла, чем это необходимо зданию в течение отопительного сезона. Ясно, что холодные и облачные периоды могут быть более продолжительными, чем предусмотрено в проекте системы солнечного теплоснабжения. Чем больше коллектор, тем менее интенсивно используется каждое дополнительное приращение его размеров, тем меньше энергии экономится на единицу площади коллектора и тем меньше окупаемость капиталовложений на каждую дополнительную единицу площади.

Тем не менее, предпринимались смелые попытки накопить достаточное количество тепловой энергии солнечного излучения для покрытия всей потребности в отоплении и отказаться от вспомогательной системы отопления. За редким исключением таких систем, как солнечный дом Г. Хэя, долговременное аккумулирование тепла является, пожалуй, единственной альтернативой вспомогательной системе. Г. Томасон близко подошел к 100%-ному солнечному отоплению в своем первом доме в Вашингтоне; только 5% отопительной нагрузки покрывалось за счет стандартного отопителя на жидком топливе.

Если вспомогательная система покрывает лишь небольшой процент всей нагрузки, то есть смысл использовать электроотопление, несмотря на то, что оно требует производства значительного количества энергии на электростанции, которая затем преобразуется в тепло для обогрева (на электростанции расходуется 10500...13700 кДж для производства 1 кВт*ч тепловой энергии в здании). В большинстве случаев электрообогреватель будет дешевле нефтяной или газовой печи, а сравнительно небольшое количество электроэнергии, необходимой для обогрева здания, может оправдать его применение. Кроме того, электронагреватель - менее материалоемкое устройство благодаря сравнительно небольшому количеству материала (по сравнению с отопителем), идущему на изготовление электроспиралей.

Так как КПД солнечного коллектора существенно возрастает, если эксплуатировать его при низких температурах, то отопительная система должна рассчитываться на использование как можно более низких температур - даже на уровне 24...27°C. Одно из достоинств системы Томасона, использующей теплый воздух, заключается в том, что она продолжает извлекать полезное тепло из аккумулятора при температурах, почти равных температуре помещения.

В новом строительстве отопительные системы можно рассчитывать на использование более низких температур, например, путем удлинения трубчато-ребристых радиаторов с горячей водой, увеличения размеров радиационных панелей или увеличения объема воздуха более низкой температуры. Проектировщики чаще всего останавливают свой выбор на отоплении помещения с помощью теплого воздуха или на применении увеличенных радиационных панелей. В системе воздушного отопления лучше всего используется низкотемпературное запасенное тепло. Лучистые отопительные панели имеют длительное запаздывание (между включением системы и нагревом воздушного пространства) и обычно требуют более высоких рабочих температур теплоносителя, чем системы с горячим воздухом. Поэтому тепло из аккумулирующего устройства не используется в полной мере при более низких температурах, которые приемлемы для систем с теплым воздухом, да и общий КПД такой системы ниже. Превышение размеров системы из радиационных панелей для получения результатов, аналогичных результатам при использовании воздуха, может повлечь за собой значительные дополнительные затраты.

Для повышения общего КПД системы (солнечного отопления и вспомогательной дублирующей системы) и одновременного снижения общих затрат путем ликвидации простоя составных частей, многие проектировщики избрали путь интегрирования солнечного коллектора и аккумулятора со вспомогательной системой. Общими являются такие составные элементы, как:

Вентиляторы;
- насосы;
- теплообменники;
- органы управления;
- трубы;
- воздуховоды.

На рисунках статьи Системное проектирование показаны различные схемы таких систем.

Ловушкой при проектировании стыковых элементов между системами является увеличение органов управления и движущихся частей, что повышает вероятность механических поломок. Искушение увеличить на 1...2% КПД путем добавления еще одного устройства на стыке систем является почти непреодолимым и может быть наиболее распространенной причиной выхода из строя солнечной отопительной системы. Обычно вспомогательный обогреватель не должен нагревать отсек аккумулятора солнечного тепла. Если это происходит, то фаза сбора солнечного тепла будет менее эффективной, так как почти всегда этот процесс будет протекать при более высоких температурах. В других системах снижение температуры аккумулятора благодаря использованию тепла зданием повышает общий КПД системы.

Причины других недостатков этой схемы объясняются большой потерей тепла из аккумулятора из-за его постоянно высоких температур. В системах, в которых вспомогательное оборудование не нагревает аккумулятор, последний будет терять значительно меньше тепла при отсутствии солнца в течение нескольких дней. Даже в спроектированных таким путем системах потери тепла из контейнера составляют 5...20% всего тепла, поглощенного системой солнечного отопления. С аккумулятором, обогреваемом вспомогательным оборудованием, потеря тепла будет значительно выше и может быть оправдана только в том случае, если контейнер аккумулятора находится внутри отапливаемого помещения здания

Системы солнечного теплоснабжения

4.1. Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивныминазываются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 4.1.1)).

Рис. 4.1.1 Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активныминазываются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.4.1.2. Она включает три контура циркуляции:

первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Рис. 4.1.2. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

4.2. Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующие гелиоприемникипредставляют собой сферические или параболические зеркала (рис. 4.2.1), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Рис. 4.2.1. Концентрирующие гелиоприемники: а – параболический концентратор; б – параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

4.3. Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор– устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (рис. 4.3.1) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

Рис. 4.3.1. Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80 °С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе “черного никеля”, “черного хрома”, окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).

Потенциальные возможности использования гелиоэнергетики на Украине

На территории Украины энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт ∙ час на 1м 2 (в летние дни – до 6 – 6.5 кВт ∙ час) т. е. около 1,5 тысячи кВт ∙ час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер.

Кроме благоприятных климатических условий на Украине имеются высоко квалифицированные научные кадры в области использования солнечной энергии. После возвращения проф. Бойко Б.Т. из ЮНЕСКО, где он возглавлял международную программу ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии (1973-1979г.), он начал интенсивную научную и организационную деятельность в Харьковском политехническом институте (ныне Национальный Технический Университет - ХПИ) по развитию нового научного и учебного направления материаловедения для гелиоэнергетики. Уже в 1983 году в соответствии с приказом Минвуза СССР N 885 от 13.07.83 г. в Харьковском Политехническом Институте впервые в практике высшей школы СССР была начатая подготовка инженеров-физиков с профилированием в области материаловедения для гелиоэнергетики в рамках специальности “Физика металлов”. Это заложило основы создания в 1988 году выпускающей кафедры “Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики” (ФМЭГ). Кафедра ФМЭГ в содружестве с Научно-исследовательским институтом технологии приборостроения (Харьков) в рамках космической программы Украины принимала участие в создании кремниевых солнечных батарей с к.п.д. 13- 14% для украинских космических аппаратов.

Начиная с 1994 года, кафедра ФМЭГ при поддержке Штутгардского Университета и Европейского Сообщества, а также Цюрихского Технического Университета и Швейцарского Национального Научного Общества принимает активное участие в научных исследованиях по разработке пленочных ФЭП.

Категории

Выбор редакции

Солнечное теплоснабжение. Системы активного солнечного теплоснабжения. Схема подключении теплового коллектора

Поиск

Подписка

Популярные записи

Последние записи