CC BY
37Энергоэффективное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 697.7
Т.А. КОРНИЛОВ, д-р техн. наук (kornt@mail.ru), Е.Г. СЛОБОДЧИКОВ, инженер, Д.Н. АММОСОВ, студент
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова (677000, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Белинского, 58)
Эффективность использования систем солнечной генерации для инженерного обеспечения жилых домов в климатических условиях центральной Якутии
Проведено сравнение величины прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность для различных регионов России. На основе данных мониторинга выполнена оценка эффективности использования солнечных коллекторов для инженерного обеспечения малоэтажных домов в условиях центральной Якутии. Выявлены основные недостатки солнечных коллекторов с прямой теплопередачей при эксплуатации в условиях устойчивой низкой температуры наружного воздуха. Показано, что использование солнечных коллекторов в комбинации с газовым отоплением при существующем тарифе не дает экономии средств, необходимых для возврата вложенных инвестиций. Системы: солнечный коллектор - центральное отопление или солнечный коллектор - электроотопление имеют больший потенциал энергоэффективности для инвестиционных проектов, направленных на внедрение альтернативных источников энергии.
Ключевые слова: энергоэффективность, интенсивность солнечной радиации, температура, солнечный коллектор.
T.A. KORNILOV, Doctor of Sciences (Engineering) (komt@mail.ru), E.G. SLOBODCHIKOV, Engineer, D.N. AMMOSOV, Student M.K. Ammosov North-Eastern Federal University (58 Belinskogo Street, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), 677000, Russian Federation)
Efficiency of Using Solar Generation Systems for Engineering Provision of Residential Buildings
under Conditions of Central Yakutia
The comparison of the value of direct solar radiation on the horizontal surface of different regions of Russia is made. On the basis of monitoring data, the assessment of the efficiency of using solar collectors for engineering provision of low-rise buildings under conditions of the Central Yakutia is made. Main shortcomings of solar collectors with direct heat transfer operating under conditions of stable low temperatures of outside air are revealed. It is shown that the use of solar collectors in combination with gas heating at the existing tariff does not give savings necessary for the return of investments. Solar collector-central heating or solar collector-electric heating systems possess a great potential of energy efficiency for investment projects aimed at the introduction of alternative source of energy.
Keywords: energy efficiency, solar radiation intensity, temperature, solar collector, energy saving.
В настоящее время ведущим трендом развития энергетики является широкое использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В Европе проводится целенаправленная политика поддержки «зеленого» строительства и повышения энергоэффективности зданий за счет внедрения высокоэффективных технологий ВИЭ, разработаны меры государственного регулирования и принята соответствующая директива (Ориентация Европы на высокоэффективные технологии и возобновляемые источники энергии; Европейская директива по использованию возобновляемых источников энергии). В странах Юго-Восточной Азии широко применяются современные технологии инженерного обеспечения зданий. Так, в районах с высокой интенсивностью солнечной радиации Китая более 5000 МДж/м2 в год используются как активные, так и пассивные системы отопления и охлаждения зданий на основе энергии солнечной радиации [1]. В настоящее время реализованы крупные проекты гелиоустановок для централизованного теплоснабжения и горячего водоснабжения в ряде регионов России: Краснодарском крае, Астраханской области и Бурятии [2]. Однако, несмотря на позитивные изменения в области государствен-
1о| —
ной политики в части повышения энергоэффективности зданий, широкого использования ВИЭ в нашей стране не наблюдается [3].
В 2011 г. в Северо-Восточном федеральном университете создано малое инновационное предприятие ООО «Теп-локомфорт», одной из задач которого является внедрение современных технологий жизнеобеспечения домов в условиях Крайнего Севера. Данным предприятием реализован ряд проектов по использованию солнечных коллекторов для теплоснабжения домов и подготовки горячей воды, проводится мониторинг технического состояния домов. В данной статье приводится анализ данных мониторинга и выполнена оценка эффективности использования солнечных коллекторов для инженерного обеспечения малоэтажных домов в условиях центральной Якутии.
Интенсивность солнечной радиации изменяется в широких пределах в зависимости от географического положения и времени года. Известно, что Республика Саха (Якутия) характеризуется суровыми климатическими условиями: число градусо-суток отопительного периода (ГСОП) для районов Якутии превышает число ГСОП населенных
М-2'2016
Научно-технический и производственный журнал
Energy efficient construction
700 600 500 ^ 400
I
s 300 200 100
0 Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт.
Рис. 1. Динамика излучения солнечной радиации на горизонтальную поверхность в г. Якутске в 2014 г.
пунктов Западной Европы в 2-3 раза и составляет 800012000 ГСОП (СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-1999*»; СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003»). С другой стороны, интенсивность солнечной радиации в центральной Якутии вполне позволяет внедрять и эксплуатировать солнечные коллекторы для систем горячего водоснабжения и теплоснабжения [4]. Так, суммарная солнечная радиация за период 2014 г. по г. Якутску, по данным Якутского управления Гидрометеорологии и контролю за окружающей средой, составила 3483,1 МДж/м2, из них излучение на горизонтальную поверхность - 1929,9 МДж/м2 (рис. 1). Для сравнения, расчетная величина прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность, по данным СП 131.13330.2012, в Астрахани в марте составляет 372 МДж/м2, а в Москве в октябре - 145 МДж/м2.
Одними из первых объектов, где были использованы солнечные коллекторы, явились три энергоэффективных индивидуальных жилых дома в с. Аппаны Намского района РС (Я). Для горячего водоснабжения (ГВС) разработана комбинированная система: в холодное время года (сентябрь-апрель) и в пасмурные дни осуществляется от газового котла, а с середины апреля до середины сентября используются сезонные солнечные коллекторы малой мощности с прямой теплопередачей. Основными компонентами системы являются солнечные коллекторы с 14 вакуумными трубками фирмы «Солнечная сторона». Коллекторы ориентированы на юг и установлены на треугольных опорах под углом 45о (рис. 2).
В г. Вилюйске запроектирована и установлена система солнечных коллекторов отечественного производства СВК-30 для комбинированного отопления административного жилого дома площадью 200 м2. Ориентация коллекторов на юг, угол установки 60о (рис. 3). В Якутске произведен монтаж солнечного коллектора для системы ГВС производственного помещения ОАО «Сахаэнерго». Ориентация расположения коллекторов южная, угол наклона установки 45о. В с. Борогонцы Усть-Алданского района запроектирована и смонтирована система солнечных коллекторов для ГВС в 33-квартирном жилом доме. Ориентация южная, угол наклона установки 45о. Количество установок 21 ед., 630 ед. вакуумных трубок (рис. 4).
В круглогодичных солнечных коллекторах использованы вакуумные термотрубки, накопительный бак емкостью от 100 л и выше со встроенным медным змеевиком для теплообмена с внешним контуром, комплектующие.
Рис. 2. Фасад жилого дома с малым солнечным коллектором в с. Аппаны
Рис. 3. Фасад жилого дома с солнечным коллектором в г. Вилюйске
Рис. 4. Внешний вид системы на покрытии многоквартирного дома в с. Борогонцы
Как показал опыт эксплуатации домов в центральных районах Якутии, солнечные коллекторы с прямой теплопередачей имеют ряд недостатков:
- в период отрицательных температур невозможно использовать солнечные коллекторы так как возможно замерзание жидкости внутри трубок и дальнейшего повреждения прибора;
- солнечные коллекторы работают исключительно без давления (не допускается давление в баке более 0,2 ат), поэтому подключение данного оборудования к магистральному трубопроводу возможно только с использованием регулятора давления или открытого бака с поплавковым механизмом;
- для обеспечения необходимого напора, например для работы сантехнических приборов, после солнечной водона-
1-2'2016
11
Энергоэффективное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
t, оС
t, оС
250 200 150 100 50 0 -50
0:00
0:00 Время, ч
120 100 80 60 40 20
0
15.03
15.04
15.05
15.06
15.07
15.08
15.09 15.10
Рис. 5. Восточный фасад экспериментального дома в г. Якутске
гревательной установки необходимо поставить гидроаккумулятор;
- для обеспечения прозрачности стенки трубок необходимо установить фильтры для очистки воды.
На одном из индивидуальных жилых домов с установленными солнечными коллекторами в г. Якутске проведен сбор данных технических показателей и проведена оценка эффективности использования ВИЭ. Общая площадь застройки жилого дома составляет 180 м2, включая отапливаемую площадь. Здание имеет в плане прямоугольную форму с двумя этажами и пристроенной котельной с гаражом. Стеновое ограждение жилых домов состоит из деревянного бруса толщиной 180 мм, с наружной стороны выполнена теплоизоляция минераловатными плитами марки П-75 толщиной 100 мм, с обшивкой деревянными панелями толщиной 25 мм. Наибольшее остекление фасада выполнено в южном и восточном направлениях. В данном доме реализована комбинированная система отопления. Функцию основ-
Рис. 6. Зависимость температуры теплоносителя на коллекторе от периода года: 1 — температура на выходе теплоносителя из коллектора; 2 — температура на входе теплоносителя в коллектор
ного источника тепловой энергии осуществляет напольный газовый котел мощностью 45 кВт импортного производства марки «Attack». Дополнительным источником теплоснабжения дома является система солнечных коллекторов фирмы «Солнечная сторона». Всего установлено 6 коллекторов со 180 вакуумными трубками: три установки ориентированы в восточном и три единицы в западном направлениях (рис. 5).
Эксплуатация и запуск системы отопления в доме осуществляется с первой декады октября 2013 г. Для первоначального анализа работы солнечных коллекторов были использованы следующие параметры: температура на выходе теплоносителя из коллектора (?вых), температура на входе теплоносителя в коллектор (tex), дата и время измерений. Запись данных осуществляется контроллером для гелиосистем DeltaSol BX L Resol. Кроме того, все данные по работе комбинированной системы фиксировались в журнале наблюдений.
В ходе анализа полученных данных установлено, что наибольший нагрев теплоносителя в коллекторе происходит в весенний и осенний периоды (рис. 6). Данный фактор обусловлен тем, что у пользователя отсутствуют источники потребления тепловой энергии в летнее время. В зимнее время из-за малой доли солнечной радиации и низких температур наружного воздуха работа солнечных коллекторов ограничивается и соответственно эффективность работы коллекторов снижается.
В результате анализа графиков суточной работы солнечных коллекторов в апреле и октябре выявлено, что пиковые значения температур возникают в диапазоне с 12 до 15 ч (рис. 7). В весенний период нагрев теплоносителя начинается с 9 ч, в октябре - с 11 ч. Следует отметить, что в рассматриваемые периоды года теплоноситель в коллекторе
б 200
150
100
50
t, оС
0:00
0:00 Время, ч
Рис. 7. Суточные значения температур по показаниям датчиков солнечных коллекторов: а — на 15.04.14 г.; б — на 15.10.14 г.; t1 — температура теплоносителя на выходе из коллектора; t2 — температура теплоносителя на входе в коллектор; t3 — температура внутри теплообменника бака-аккумулятора; t4 — температура бака-аккумулятора
а
0
12
1-2'2016
Научно-технический и производственный журнал
Energy efficient construction
Расход, м3 1500
1000
■ Расход газа на отопление и бытовые нужды
■ Расход газа на бытовые нужды
500
0
. I
Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Нояб. Дек. Рис. 8. Динамика годового потребления природного газа за 2014 г.
остывает до отрицательной температуры. При этом происходит автоматическое срабатывание циркуляционного насоса, вследствие которого температура теплоносителя при входе в коллектор имеет более высокое значение, чем при выходе. Это вызывает обратный процесс теплосъема из бака-аккумулятора в атмосферу и соответственно потерю части тепловой энергии. Включение в работу циркуляционного насоса при низкой разнице температур обусловлено предотвращением повышения вязкости теплоносителя при низких температурах. При сравнении графиков, приведенных на рис. 7, максимальная температура в коллекторе наблюдается в весеннее время, что подтверждается данными солнечной активности в г. Якутске. Температура в баке-аккумуляторе за сутки в апреле не опускается ниже 35оС, в октябре не ниже 80оС, что доказывает низкую инерционность и высокую аккумуляцию тепла.
Отдельно проведен анализ расхода природного газа в жилом доме по данным газового счетчика. Расход газа на отопление и бытовые расходы жилого дома за период с января по декабрь составил 7489,8 м3, или в среднем 41,6 м3 на 1 м2 отапливаемой площади здания. В рассматриваемый период тариф природного газа по городу Якутску составлял 4,308 р./м3. Фактический расход газа на отопление и бытовые нужды производился в период с января по март и с октября по декабрь. В период с начала апреля по сентябрь газ применялся только на бытовые нужды, так как отопление жилого дома в указанный период осуществлялось за счет работы солнечных коллекторов. В марте и октябре солнечный коллектор работал с замещением газового котла в дневное время солнечных дней (рис. 8).
Всего солнечный коллектор работал без замещения газовым котлом в период с 4.04.-25.05.14 и с 17.09.-29.09.14, что составляет 63 дня отопительного периода. При определении периода времени работы солнечного коллектора в течение 1 сут в качестве исходного взят самый оптимальный диапазон с 9 до 15 ч, что подтверждается суточными значениями температур теплоносителя. С использованием МДС 41-4.2000 «Методика определения количества тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах коммунального теплоснабжения (утв. приказом Госстроя РФ от 6 мая 2000 г. № 105)» выполнен расчет объема произведенной тепловой энергии солнечным коллектором. При выявлении равенства расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах определение потребленной тепловой энергии в Гкал/ч выполняется по формуле:
оф = Йф (f, - ую-3
(1)
В результате расчета установлено, что общий объем произведенной солнечным коллектором тепловой энергии на отопление жилого дома за 63 сут составил 18,54 Гкал. Средняя производительность за указанный период составила 0,05 Гкал/ч. 1 Гкал тепловой энергии при существующем тарифе расхода природного газа 4,308 р. за 1 м3 стоит 465,1 р. Критерии неравномерности нагрузки газового котла во время отопительного сезона не учитываются. Коэффициент полезного действия принимается по паспорту. При этом общий объем энергии, произведенной солнечными коллекторами за рассматриваемый период будет стоить 8622,9 р. В расчетах не учтено фактическое потребление жилым домом тепловой энергии из бака-аккумулятора, расходы на электроснабжение насосов и контроллеров.
Расчет срока окупаемости инвестиций без учета влияния времени на получаемую в будущем экономию денежных средств выполняется [5]:
T0 = K / AD,
(2)
где Qф - фактический расход теплоносителя, т/ч; t1 и t2 - температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, оС.
где К - величина инвестиций в энергосберегающие мероприятия, р.; АО - ежегодный расчетный промежуточный доход за счет экономии энергоресурсов, р./год.
Величина единовременных инвестиций по данному проекту составили 600 тыс. р. с учетом стоимости оборудования и монтажных работ. При этом срок окупаемости, согласно формуле, составил порядка 69,5 лет. Нормативный срок эксплуатации оборудования солнечных коллекторов - 25 лет с учетом проведения текущего ремонта и замены комплектующих. В этой связи, даже с учетом нормы дисконта, равного ставке рефинансирования Центробанка РФ 14% в год, инвестиции не окупаются из-за низкой экономической эффективности мероприятия.
Таким образом, проведенный мониторинг в центральных районах Якутии показал, что использование солнечных коллекторов в комбинации с газовым отоплением при существующем тарифе не дает экономии средств, необходимых для возврата вложенных инвестиций. Вместе с тем при сравнении систем: солнечный коллектор - центральное отопление или солнечный коллектор - электроотопление при увеличивающемся размере тарифной ставки имеется большой потенциал энергоэффективности для инвестиционных проектов, направленных на внедрение альтернативных источников энергии. Для стимулирования внедрения ВИЭ и поддержки «зеленого» строительства необходимо предусмотреть государственное субсидирование установки солнечных коллекторов при строительстве домов и тарифные дотации при поставке газа и электроэнергии при эксплуатации домов.
Список литературы
1. Цзиньлин Ч., Шелгинский А.Я. Пассивные солнечные системы теплоснабжения. Опыт Китайской Народной Республики // АВОК: Энергосбережение. 2009. № 2. С. 72-75.
2. Бутузов В.А. Перспективы развития солнечного теплоснабжения в России // АВОК: Энергосбережение. 2013. № 6. С. 76-79.
3. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в регионах России // АВОК: Энергосбережение. 2014. № 6. С. 76-79.
4. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М.: Институт высоких температур РАН, 2010. 84 с.
1-22016
13
Энергоэффективное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
5. Дмитриев А.Н., Ковалев И.Н., Табунщиков Ю.А., Шил-кин Н.В. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. 40 с.
References
1. Jinling Ch., Shelginsky A.YA. Passive solar systems of heat supply. Experience of People's Republic of China. AVOK: Energosberezhenie. 2009. No. 2, pp. 72-75. (In Russian).
2. Butuzov V.A. Prospects of development of solar heat supply in Russia. AVOK: Energosberezhenie. 2013. No. 6, pp. 76-79. (In Russian).
3. Butuzov V.A. Solar heat supply in regions of Russia. AVOK: Energosberezhenie. 2014. No. 6, pp. 76-79. (In Russian).
4. Popel O.S., Fried S.E., Kolomiyets Yu.G. The atlas of resources of solar energy in the territory of Russia [Atlas resursov solnechnoi energii na territorii Rossii]. M.: Institute of high temperatures of the Russian Academy of Sciences, 2010. 84 p. (In Russian).
5. Dmitriyev A.N., Kovalyov I.N., Tabunshchikov Yu.A., Shilkin N.V. Rukovodstvo according to economic efficiency of investments into energy saving actions [Pykovodstvo po otsenke ekonomicheskoi effektivnosti investitsii v energosberegayushchie meropriyatiya]. M.: AVOK-PRESS, 2005. 40 p. (In Russian).
_НОВОСТИ
Итоги VI Международной научно-технической конференции «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ»
23-25 ноября 2015 г. в Национальном исследовательском Московском государственном строительном университете (НИУ МГСУ) состоялась VI Международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», которая в этот раз была посвящена 70-летию Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг. Мероприятие традиционно проходило в МГСУ на Ярославском шоссе. Основной тематикой, как и прежде, стали вопросы энергосбережения, теоретические аспекты и перспективные направления научных исследований в области теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ) и результаты их практического применения в современных условиях. В конференции приняли участие преподаватели, специалисты, а также студенты, аспиранты и докторанты из вузов, научно-исследовательских, проектных и производственных организаций РФ, стран ближнего и дальнего зарубежья.
В первый день проведено расширенное пленарное заседание, посвященное 70-летию Победы над фашизмом и некоторым общим вопросам науки ТГВ, а также ряд неформальных встреч. Еще одной важной особенностью конференции, как и ранее, стала строго научная направленность абсолютно всех представленных докладов. К этому немало усилий приложил научный и организационный комитет. К началу конференции издательством НИУ МГСУ выпущен сборник докладов, высокое качество оформления которого и тщательное редактирование материалов также было обеспечено научным комитетом. Доклады традиционно публиковались бесплатно. Для рецензирования и редактирования принимались материалы с высокой степенью теоретической проработки, богатой доказательной базой, большим практическим значением. Это были основные и единственные критерии для отбора докладов к публикации.
На пленарном заседании выступил заведующий кафедрой отопления и вентиляции (ОиВ) ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», главный научный сотрудник НИИСФ РААСН проф., д-р техн. наук, член-корр. РААСН В.Г. Гагарин с сообщением о нормировании тепловой защиты зданий в странах с холодным климатом. Кроме того, первый заместитель генерального директора Института проблем энергетики профессор, д-р техн. наук Б.И. Нигматулин представил обширный доклад под названием «Великая Отечественная война. Битва экономик СССР и Германии». Профессор кафедры ОиВ, канд. техн. наук Б.А. Крупнов также посвятил свое сообщение 70-летию Победы над фашистской Германией и памяти сотрудников МИСИ - участников Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. и тружеников тыла. Особенностью нынешнего форума являлось привлечение к выступлению на пленарном заседании иностранных коллег из Харбинского политехнического университета (КНР) - проф. Цзян Ицяна, декана факультета ТГВ, и проф. Лю Цзина, заместителя директора Института инженерной экологии, доклады которых были посвящены соответственно состоянию и перспективам энергосбережения и исследованию микроклимата в зданиях Китая. Далее в течение трех дней ра-
14| -
бота конференции была организована в формате четырех тематических секций - строительной теплофизики, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, теплогенерирующих установок, теплоснабжения и газоснабжения, а также высшего образования по профилю ТГВ.
Среди секционных докладов значительное внимание участников привлекло, в частности, обширное сообщение проф., д-ра техн. наук В.И. Бодрова (ННГАСУ, Нижний Новгород) на секции «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», посвященное вопросу уточнения расчетной мощности систем отопления. Также можно отметить доклад проф., д-ра техн. наук Т.А. Дацюк (СПбГАСУ), в котором рассматривались вопросы качества воздуха в зданиях с естественной вентиляцией. Особой глубиной теоретической проработки, по мнению многих, отличалось сообщение проф., д-ра техн. наук В.Н. Варапаева и инж. А.Ю. Троц-ко (НИУ МГСУ), касавшееся численного моделирования трехмерных турбулентных течений в вентилируемом помещении. Необходимо обратить внимание на доклад представителей Республики Беларусь проф., д-ра техн. наук П.И. Дячека и доц., канд. техн. наук А.Э. Захаревича (БНТУ, Минск), посвященный исследованию полей температуры и влажности контейнера в условиях свободной конвекции.
Состоявшаяся конференция - шестая по счету. Она является юбилейной, поскольку прошло ровно десять лет с момента, когда в 2005 г. было организовано первое мероприятие. Таким образом, рассматриваемый форум явился продолжением уже устоявшейся традиции проведения академических чтений в области ТГВ, каждые два года устраиваемых на базе НИУ МГСУ. Проблема обеспечения комфортных условий в повседневной жизни и деятельности человека была и остается одной их важнейших составляющих сохранения и развития человеческого потенциала страны. Одновременно с этим перед учеными и инженерами стоит задача сокращения энергозатрат и оптимизации стоимости возводимых зданий и сооружений, повышения экологической безопасности и функциональной эффективности объектов строительства. Кратчайшим путем к достижению поставленных целей является постоянное совершенствование технологии проектирования, расчета, производства и монтажа инженерных и технологических систем, применяемых в современном строительстве. Немалый вклад в этот процесс делается вузами, научно-исследовательскими и производственными организациями, действующими во всех регионах Российской Федерации и за рубежом. Именно поэтому так важно на постоянной основе формировать площадку для обмена передовыми мнениями и идеями всех заинтересованных участников отрасли, а также зарубежных коллег, работающих в данной сфере. Такой площадкой все эти годы была и остается ноябрьская конференция в Национальном исследовательском Московском государственном строительном университете.
О.Д. Самарин, доцент, канд. техн. наук, А.П. Латушкин, ст. преподаватель, инженер
М-2'2016
