CC BY
191
УДК 620.97 (075.8)
Н. Д. Шишкин
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕПЬНЫХ УСТАНОВОК
Наиболее совершенные коллекторы солнечной энергии (КСЭ) с двухслойным остеклением и вакуумированные стеклянные трубчатые КСЭ имеют высокий энергетический КПД, достигающий 0,51-0,57. Значения КПД тепловых аккумуляторов могут составлять 0,94-0,99. Значения КПД солнечных водонагревательных установок (СВУ) в целом увеличиваются от 0,19 для СВУ с плоскими КСЭ без остекления до 0,44 для СВУ с трубчатыми КСЭ. Капитальные вложения в КСЭ возрастают с 2,3 тыс. руб./м2 для неселективного плоского КСЭ без остекления до 25,0 тыс. руб./м2 для стеклянных трубчатых КСЭ при росте срока службы с 13 до 28 лет. Себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет солнечной, возрастает с 466 до 1014 руб./ГДж. Величина удельных капитальных затрат на КСЭ при максимально допустимом сроке окупаемости 7 лет составляет 1,71-7,24 тыс. руб./м2. Этим условиям удовлетворяют лишь самые простые неселективные плоские КСЭ без остекления и с одинарным остеклением. В Лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра при Астраханском государственном техническом университете разрабатываются КСЭ с трубчатыми, оребренными трубчатыми, пластинчатыми абсорберами, удельные затраты на которые составят всего 2-5 тыс. руб./м2. Энергетический КПД СВУ гравитационного типа с многоступенчатыми КСЭ составляет 0,31, что лишь на 28 % меньше КПД СВУ циркуляционного типа из неселективных плоских коллекторов с двойным остеклением (НПК-2), составляющего 0,38. Они будут дешевле СВУ циркуляционного типа с КСЭ типа НПК-2 в 2,5 раза. При использовании оригинальных, еще более дешевых КСЭ типа НПК-2, удельная стоимость такого комбинированного КСЭ не превысит 2,0 тыс. руб./м2. Срок окупаемости СВУ гравитационного типа с многоступенчатыми КСЭ составит не более 6 лет. Они будут экономически эффективными для большинства потребителей, использующих в настоящее время топливно-энергетические ресурсы. Предлагаемые КСЭ и СВУ на их основе можно будет применять для теплоснабжения на многих объектах, экономия топливно-энергетических ресурсов при этом составит 40-60 %.
Ключевые слова: солнечные водонагревательные установки, коллекторы солнечной энергии, энергетическая эффективность, стоимость коллекторов, экономическая эффективность, срок окупаемости, многоступенчатые коллекторы солнечной энергии.
Введение
Анализ данных по тарифам на тепловую и электрическую энергию и ценам на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР), такие как газ, мазут, уголь и др., показывает их неуклонный рост в Российской Федерации даже в период существенного снижения мировых цен на нефть. Вследствие этого энергоустановки с возобновляемыми источниками энергии, в частности солнечные водонагревательные установки (СВУ), за счет использования которых экономия ТЭР может составлять до 60 % и более, могут оставаться достаточно привлекательными для значительной части потребителей [1-8].
Ранее [9] была выполнена оценка экономической эффективности СВУ с учетом тарифов на централизованно поставляемую тепловую энергию от теплоэнергоцентралей (ТЭЦ) и крупных районных котельных. Однако для многих потребителей она может вырабатываться другими энергоисточниками, использующими ТЭР: блочными котельными, индивидуальными газовыми теплогенераторами, теплонасосными установками (ТНУ), теплоэлектронагревателями (ТЭН) и др. Кроме того, не анализировались энергетические параметры различных конструкций коллекторов солнечной энергии (КСЭ), тепловых аккумуляторов, циркуляционных трубопроводов и СВУ в целом. В связи с этим представляется целесообразным более глубокий и полный анализ энергетической и технико-экономической эффективности СВУ с дополнительным учетом всех этих факторов.
Целью исследований являлась оценка энергетической и технико-экономической эффективности СВУ в зависимости от природно-климатических условий, конструкций СВУ и типов энергоисточников на основе ТЭР, используемых в системах теплоснабжения, а также разработка рекомендаций по их совершенствованию и применению.
Энергетическая эффективность СВУ
Энергетическая эффективность СВУ, состоящей в общем случае из КСЭ, тепловых аккумуляторов и циркуляционных трубопроводов, определяется ее энергетическим КПД, который зависит от энергетических КПД каждого из вышеперечисленных последовательно соединенных элементов:
псву = ЛкСЭЛТАпцт , (1)
где пКСЭ , ПТА ,Пцт - энергетические КПД КСЭ, тепловых аккумуляторов и циркуляционных трубопроводов соответственно.
Очевидно, что для повышения энергетической эффективности СВУ необходимо увеличивать КПД каждого из элементов СВУ, и прежде всего КСЭ. Значение КПД плоского КСЭ, выполненного из однородных элементов, определяется по формуле [5]:
"лксэ = "по I (^ксэ - ¿в), (2)
-1 ксэ
где пО - эффективный оптический КПД КСЭ; ККСЭ - эффективный коэффициент теплопотерь
КСЭ, Вт/(м2 °С); /КСЭ - средняя плотность потока солнечного излучения, попадающего на КСЭ, Вт/м2; ¿С КСЭ - средняя температура в КСЭ, °С; ¿в - температура наружного воздуха, °С.
В табл. 1 (по данным из [1-5, 8]) приведены основные осредненные энергетические характеристики КСЭ: значения максимальной температуры теплоносителя ¿тах; эффективного оптического КПД пО; эффективного коэффициента теплопотерь ККСЭ. Для систем горячего водоснабжения и отопления вполне приемлемыми по максимальной температуре теплоносителя £тах = 50-80 °С могут быть все типы неселективных плоских КСЭ: неселективный плоский коллектор (НПК), неселективный плоский коллектор с одинарным остеклением (НПК-1) и неселективный плоский коллектор с двойным остеклением (НПК-2), а для систем отопления при максимальной температуре теплоносителя ¿тах = 90-120 °С - селективные КСЭ: селективные плоские коллекторы с одинарным остеклением (СПК-1) и селективные плоские коллекторы с двойным остеклением (СПК-2), а также вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы (ВСТК) и их разновидность, выполненная в виде тепловых труб.
Таблица 1
Основные энергетические характеристики КСЭ
Тип коллектора Ттах °С По КксЭ, Вт/(м2 ■ К) Пксэ Псву
Неселективный плоский КСЭ: без остекления НПК с однослойным остеклением НПК-1 с двухслойным остеклением НПК-2 50 0,93 20 0,24 0,19
70 0,78 8,5 0,49 0,38
80 0,73 5,0 0,56 0,43
Селективный плоский КСЭ: с однослойным остеклением СПК-1 с двухслойным остеклением СПК-2 90 0,73 5,0 0,56 0,43
120 0,68 3,5 0,51 0,40
Вакуумированные стеклянные трубчатые КСЭ ВСТК 160 0,63 1,5 0,57 0,44
Результаты расчета по формуле (2) КПД плоских КСЭ, изготовленных из однородных элементов, также приведены в табл. 1. Более совершенные КСЭ, за счет резкого снижения эффективного коэффициента теплопотерь ККСЭ, имеют более высокий энергетический КПД пКСЭ, несмотря на некоторое снижение (от 0,93 до 0,63) эффективного оптического КПД КСЭ. Значения КПД наиболее совершенных неселективных плоских КСЭ с двухслойным остеклением НПК-2 и селективных плоских КСЭ с однослойным остеклением СПК-1 в среднем составляют 0,56, вакуумированных КСЭ - 0,57, а по данным [2-5] они могут достигать даже максимальных значений - 0,60-0,70.
Значения КПД тепловых аккумуляторов пТА зависят от времени зарядки и разрядки, термического сопротивления теплоизоляции, т. е. ее теплопроводности и толщины, а также, но в меньшей степени, от объема теплового аккумулятора. Расчеты, приведенные в [9], показывают, что значения КПД теплового аккумулятора с эффективной теплоизоляцией с повышенным термическим сопротивлением могут достигать 0,94-0,99 при увеличении объема бака ак-
кумулятора от 0,1 до 100 м3. Значения КПД тепловых аккумуляторов можно считать практически равными 1,00 в конструкциях емкостных комбинированных коллекторов-аккумуляторов [6], но в этом случае несколько уменьшится КПД самого КСЭ - за счет увеличения его боковой поверхности. Для ориентировочных расчетов можно принять пТА = 0,97.
Значения КПД циркуляционных трубопроводов зависят от их относительной длины, диаметра и термического сопротивления теплоизоляции. Как правило, их невозможно точно учесть, поэтому потери в трубопроводах, в соответствии с методикой из [1, 10], принимаются равными 20 %. Это означает, что Пцт = 0,80 КПД циркуляционных трубопроводов может быть доведен до значения 1,00 в СВУ, в которых отсутствуют циркуляционные трубопроводы, например в комбинированных коллекторах-аккумуляторах или в оригинальных СВУ гравитационного (проточного типа) с многоступенчатыми КСЭ из разнородных элементов, предложенных в [6, 10].
Результаты расчета по формуле (1) КПД СВУ циркуляционного типа с термосифонной и насосной циркуляцией, имеющих КСЭ рассмотренных типов, с учетом потерь в аккумуляторах и циркуляционных трубопроводах, приведены в табл. 1. Согласно данным табл. 1, КПД СВУ увеличиваются от 0,19 для СВУ с неселективными плоскими КСЭ без остекления до 0,44 для СВУ типа ВСТК, т. е. в 2,3 раза.
Технико-экономическая эффективность СВУ
Основными природно-климатическими условиями для эффективного применения СВУ являются интенсивность потока солнечной энергии и продолжительность солнечного сияния, а для предварительной оценки технико-экономических показателей СВУ - удельное годовое количество солнечной энергии Ес, ГДж/(м2тод), поступающей на гелиоколлектор [8, 9]. Себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет солнечной от СВУ с КСЭ различных типов (без учета эксплуатационных затрат), может быть определена по формуле
ссву _ %сэ кксэ (3)
стэ _ Е п т '
Ес '1сву т э
где акСЭ - коэффициент, учитывающий долю капитальных вложений в КСЭ в общие капитальные вложения в СВУ; кКСЭ - удельные капитальные вложения, зависящие от типа гелиоколлек-тора, руб./м2; пСВУ - энергетический КПД СВУ; ТЭ - срок эксплуатации СВУ, лет.
Коэффициент акСЭ зависит от типа КСЭ, конструкции теплового аккумулятора, вида металлоконструкций и циркуляционных трубопроводов. Анализ литературных данных [2, 3] показывает, что коэффициент акСЭ= 1,5-2,5 ~ 2,0. Формула (3) может быть использована для определения себестоимости тепловой энергии, получаемой за счет солнечной от СВУ в зависимости от конструкции КСЭ, характеризующегося коэффициентами кКСЭ и пСВУ, величиной удельного годового количества солнечной энергии, поступающей на гелиоколлектор и зависящей от географического расположения и срока эксплуатации СВУ.
Следует отметить, что на российском рынке стоимость КСЭ изменяется от 5,0 тыс.
руб./м2 для КСЭ, произведенных в России и Китае, до 25,0 тыс. руб./м2 для КСЭ, произведенных в Германии [2-4]. Осредненные значения удельных капитальных вложений в КСЭ различных типов и срока эксплуатации СВУ по данным [1-4, 8, 9], а также результаты оценки по формуле (3) себестоимости тепловой энергии СТЭУ , получаемой за счет солнечной от СВУ, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Основные технико-экономические показатели СВУ циркуляционного типа с КСЭ различных типов
Тип коллектора кКСЭ , тыс. руб./м2 ТЭ , лет ССТ, руб./ГДж
Неселективный плоский КСЭ: без остекления НПК с однослойным остеклением НПК-1 с двухслойным остеклением НПК-2 2,3 13 466
5,0 18 365
6,5 23 546
Селективный плоский КСЭ: с однослойным остеклением СПК-1 с двухслойным остеклением СПК-2 12,0 20 536
15,0 25 750
Вакуумированные стеклянные трубчатые КСЭ ВСТК 25,0 28 1014
Как видно из табл. 2, удельные капитальные вложения в КСЭ возрастают для более со-
вершенных с энергетической точки зрения КСЭ с 2,3 тыс. руб./м2 для НПК без остекления до 25,0 тыс. руб./м2 для ВСТК, т. е. в 11 раз, при росте срока службы с 13 до 28 лет, т. е. в 2,1 раза, при этом в итоге себестоимость тепловой энергии за счет солнечной возрастает с 466 до 1014 руб./ГДж, т. е. в 2,2 раза. Таким образом, более совершенные и дорогостоящие КСЭ, главным образом импортного производства, в настоящее время оказываются менее экономичными, чем простые и дешевые, которые производятся главным образом в России.
Для определения срока окупаемости СВУ необходимо учесть стоимость (тариф или себестоимость) замещаемой тепловой энергии СТЭ, которая зависит от источника теплоснабжения. Тепловую энергию потребители могут получать от ТЭЦ или крупной котельной, блочной или крышной котельной, индивидуального теплогенератора, газового водонагревателя, а также от теплового насоса с электрическим приводом компрессора, а в самых неблагоприятных условиях (при отсутствии тепловых и газовых сетей) - за счет ТЭН, например масляных радиаторов и электроводонагревателей проточного и емкостного типа.
Срок экономической окупаемости СВУ может быть определен по универсальной формуле, аналогичной формуле (3):
Т сву = аксэ ^ксэ (4)
1о = е п С '
ЕС '1сву стэ
Стоимость тепловой энергии, получаемой потребителем от ТЭЦ, крупной котельной, равна тарифу на отпускаемую потребителю тепловую энергию, который в настоящее время составляет для Астраханской области 338 руб./ГДж.
Себестоимость тепловой энергии, получаемой от теплогенератора (блочная, крышная котельная или индивидуальный теплогенератор) при сжигании природного газа, может быть оценена по следующей формуле (без учета прочих эксплуатационных затрат, которыми можно пренебречь):
Стг = Цпг__(5)
стэ о п , (5)
^шпг 1 1тг
где ЦПГ - цена на природный газ, составляющая в настоящее время в Астраханской области 5,43 руб./м3; 0НПГ - низшая теплота сгорания природного газа, составляющая 34 МДж/м3; пТ -КПД теплогенераторов, который можно принять равным 0,65.
Коэффициент преобразования теплоты компрессионных ТНУ, с абсолютной температурой теплоносителя Т1 = 368 К = 95 °С для отопления и Т1 = 333 К = 60 °С для горячего водоснабжения, можно определить по формуле [1]:
= Т1
Нтну Лтну
Т - Т 1 1 Т 2
(6)
где пТНУ - коэффициент, учитывающий неидеальность цикла компрессора, механические и тепловые потери в ТНУ; Т2 - температура низкопотенциального источника теплоты, которую можно принять Т2 = 283 К = 10 °С.
Себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет ТНУ, можно оценить по формуле
тну цээ
тну _
стэ = -
^тну (7)
где ЦЭЭ - цена электроэнергии на привод компрессора ТНУ, которая в настоящее время в Астраханской области составляет 3,76 руб./(кВт ■ ч).
В самых неблагоприятных условиях (при отсутствии тепловых и газовых сетей) теплоснабжение может осуществляться за счет ТЭНов различных типов, при этом себестоимость тепловой энергии может быть приравнена цене на электроэнергию, т. е.
Цээ = 3,76 руб./(кВт ■ ч) = 1044 руб./ГДж.
Результаты оценочных расчетов по формулам (4)—(7) технико-экономических показателей СВУ, заменяющих различные источники теплоты, использующие ТЭР, приведены в табл. 3.
Таблица 3
Технико-экономические показатели СВУ, заменяющих источники теплоты, использующие ТЭР
Источник теплоты СтЭ, руб./ГДж Т™У, лет к шах КСЭ ' тыс. руб./м2
кКСЭ 5 тыс. руб./м2 кКСЭ 25 тыс. руб./м2
ТЭЦ, крупная котельная 338 15 75 2,34
Блочная котельная, индивидуальный теплогенератор и водонагреватель 246 21 103 1,71
ТНУ для систем отопления 403 13 63 2,79
ТНУ для систем горячего водоснабжения 261 19 97 1,81
ТЭНы 1044 5 24 7,24
Согласно данным табл. 2, себестоимость тепловой энергии изменяется от 246 руб./ГДж при выработке ее блочной котельной или индивидуальным теплогенератором до 1044 руб./ГДж при получении ее от ТЭНов. Срок окупаемости СВУ составляет соответственно 5-21 год при альтернативном получении тепловой энергии от ТЭНов и 21-103 года при ее альтернативной выработке блочной котельной, индивидуальным теплогенератором или водонагревателем. Меньшие сроки окупаемости имеют место при удельных капитальных затратах на кКСЭ = 5 тыс. руб./м2, а большие - кКСЭ = 25 тыс. руб./м2. Следовательно, применение дорогостоящих, главным образом импортных КСЭ (СПК-1, СПК-2 и ВСТК), имеющих удельные капитальные затраты 25 тыс. руб./м2, и СВУ экономически нецелесообразно, т. к. срок их службы не превышает 25-30 лет. Следует отметить, что большинство применяемых в настоящее время СВУ, на основе главным образом коллекторов типа НПК-2 и СПК-2, имеет срок окупаемости 8-12 лет [2-4], что вполне допустимо, учитывая средний срок их эксплуатации (около 20 лет), но не слишком экономически эффективно.
Результаты расчетов максимально допустимых удельных капитальных затрат на экономически эффективные КСЭ для различных альтернативных энергоисточников, использующих ТЭР, выполненные по формуле
т max _
кксэ _
Т сву Е П С 1 о ес '1свустэ
КСЭ (7)
при максимально допустимом сроке окупаемости СВУ не более 7 лет, приведены в табл. 2.
г max сксэ
Согласно данным табл. 2, величина кКСЭ уменьшается от 7,24 тыс. руб./м2 при альтерна-
тивном получении тепловой энергии от ТЭНов до 1,71 тыс. руб./м2 при ее альтернативной выработке котельной. Экономически эффективно при сроке окупаемости не более 7 лет применение лишь самых дешевых КСЭ типа НПК, имеющих кКСЭ = 2,3 тыс. руб./м , как гелиоприставок, вместе с ТЭЦ или крупными котельными, с ТНУ для систем отопления и ТЭНами. Очевидно, что необходима разработка новых типов отечественных, достаточно эффективных, но гораздо более дешевых КСЭ и СВУ на их основе. Рассмотрим некоторые из примеров таких КСЭ и СВУ на их основе.
Рекомендации по совершенствованию и применению СВУ
Опытный образец СВУ из полимерных и композиционных материалов с габаритной площадью 1,5 м2, разработанный специалистами Объединенного института высоких температур РАН (г. Москва) и ООО «Политермо» (Московская обл.), имеет 5 объединенных между собой секций общим объемом 100 л (66 л/м2) [6]. Это позволило снизить удельную массу СВУ до 20 кг/м2, т. е. в 2,5-3,5 раза по сравнению с известными аналогами. При серийном выпуске можно ожидать и соответствующего снижения удельных капитальных затрат на КСЭ.
В Лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете (ЛНЭ СНЦ РАН при АГТУ) разрабатывается ряд наиболее простых и дешевых КСЭ типа НПК и НПК-1, состоящих из различных трубчатых и оребренных трубчатых абсорберов, пластинчатых, листотрубных панелей и др. Удельные затраты на изготовление этих КСЭ при серийном производстве не превысят 2-5 тыс. руб./м2. Одна из
2
экспериментальных СВУ показана на рис. 1. Она имеет площадь КСЭ -РКСЭ = 0,35 м при объеме теплового аккумулятора УТА = 18 л (66 л/м2) и позволяет в теплый период (с апреля по октябрь) подогревать воду до 45-55 °С без дополнительного источника энергии.
Рис. 1. Экспериментальная СВУ термосифонного типа ЛНЭ СНЦ РАН при АГТУ
Еще более эффективной представляется СВУ гравитационного типа с многоступенчатым (ГТМ) КСЭ [9, 10], выполненным из разнородных, наиболее дешевых элементов КСЭ, например НПК, НПК-1, НПК-2. Вытекая из расходного бака и протекая последовательно через эти элементы КСЭ, вода постепенно нагревается и поступает в тепловой аккумулятор [9, 10]. Одна из экспериментальных СВУ ГТМ для душевой ОАО «Спецтеплицмотажстрой» в г. Астрахани показана на рис. 2. Она имеет двухступенчатый КСЭ из самостоятельно изготовленных элементов КСЭ на основе плоских отопительных панелей марки РСГ (радиатор стальной горизонтальный) с одинарным и двойным остеклением НПК-1 и НПК-2 общей площадью 4,0 м2 и тепловой аккумулятор объемом 300 л (75 л/м2). Установка позволила в теплый период (с апреля по октябрь) подогревать воду до 45-55 °С. При недостатке поступления солнечной энергии в пасмурные дни для подогрева воды до нужной температуры использовался ТЭН. Применение этой СВУ позволило сократить годовое потребление электроэнергии в душевой в 1,5-2,0 раза.
Рис. 2. Экспериментальная СВУ гравитационного типа для душевой ОАО «Спецтеплицмотажстрой» в г. Астрахани
Энергетический КПД и удельные капитальные затраты на СВУ ГТМ КСЭ могут быть определены по следующим формулам:
Пвмксэ =Пта ¿А п; (8)
г=1
*сгтмксэ =ПцтК ¿¿АВ.; (9)
г = 1
где А; - коэффициенты, учитывающие долю площади г-го элемента КСЭ в общей площади КСЭ; П; - энергетические КПД каждой из ступеней КСЭ; кп - удельные затраты на п-й элемент КСЭ, руб./м2; В; - коэффициенты, учитывающие соотношение капитальных затрат на г-й и наиболее дорогостоящий п-й элемент многоступенчатого КСЭ.
Расчеты в [10] показали, что для СВУ ГТМ КСЭ типа НПК, НПК-1 и НПК-2 коэффициенты Аг составляют: А1 = 0,69, А2 = 0,22, А3 = 0,09. Расчеты по формуле (8) на основе данных по КПД КСЭ (табл. 1), показали, что энергетический КПД СВУ ГТМ КСЭ составляет 0,31, что лишь на 28 % меньше, чем КПД СВУ циркуляционного типа из элементов НПК-2. На основе данных по стоимости элементов КСЭ (табл. 2), коэффициенты В; равны соответственно: В1 = 0,35, В2 = 0,77, В3 = 1,00. Расчеты по формуле (9) показывают, что удельные капитальные вложения в СВУ ГТМ КСЭ будут равны 0,4 кп = 2,6 тыс. руб./м2, т. е. СВУ ГТМ КСЭ будет дешевле СВУ циркуляционного типа с КСЭ НПК-2 в 2,5 раза. При использовании оригинальных, еще более дешевых, но достаточно энергетически эффективных КСЭ типа НПК-2 удельная стоимость такого комбинированного КСЭ не превысит 2,0 тыс. руб./м2, а следовательно СВУ ГТМ КСЭ будут иметь срок окупаемости не более 6 лет и могут быть экономически эффективными для большинства потребителей, использующих в настоящее время ТЭР. Это позволит потребителям затратить существенно меньше средств, чем на серийно выпускаемые КСЭ и СВУ на их основе и получить экономию ТЭР до 40-60 %.
Заключение
1. Коллекторы солнечной энергии с двухслойным остеклением СПК-2 и вакуумированные КСЭ имеют высокий энергетический КПД, составляющий 0,51-0,57. Значения КПД тепловых аккумуляторов могут достигать 0,94-0,99 и быть практически равными 1,00 в конструкциях СВУ емкостного типа. Значение КПД циркуляционных трубопроводов может быть увеличено до 1,00 в СВУ емкостного и гравитационного типа. Значения КПД СВУ в целом увеличиваются от 0,19 для СВУ с плоскими КСЭ без остекления НПК до 0,44 для СВУ с трубчатыми КСЭ типа ВСТК, т. е. в 2,3 раза.
2. Капитальные затраты на КСЭ возрастают с 2,3 тыс. руб./м2 для плоских КСЭ без остекления НПК до 25,0 тыс. руб./м2 для трубчатых КСЭ ВСТК, т. е. в 11 раз при росте срока службы с 13 до 28 лет, при этом в итоге себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет солнечной, возрастает с 466 до 1014 руб./ГДж. Величина удельных затрат на КСЭ при максимально допустимом сроке окупаемости 7 лет составляет от 1,71 до 7,24 тыс. руб./м2. Этому условию могут удовлетворять лишь самые дешевые КСЭ типа НПК и НПК-1.
3. Удельные затраты на КСЭ типа НПК и НПК-1, разрабатываемые СНЦ РАН при АГТУ, с трубчатыми и оребренными трубчатыми, пластинчатыми абсорберами и др., составят кКСЭ = 2-5 тыс. руб./м2. Энергетический КПД СВУ ГТМ КСЭ составляет 0,31, что лишь на 28 % меньше, чем КПД СВУ циркуляционного типа из элементов НПК-2, составляющий 0,38. СВУ ГТМ КСЭ будет дешевле СВУ циркуляционного типа с КСЭ НПК-2 в 2,5 раза. При использовании оригинальных, еще более дешевых КСЭ типа НПК-2, удельная стоимость такого комбинированного КСЭ не превысит кКСЭ = 2,0 тыс. руб./м2. СВУ ГТМ КСЭ будут иметь срок окупаемости не более 6 лет. Они будут экономически эффективными для большинства потребителей, использующих в настоящее время ТЭР. Предлагаемые КСЭ и СВУ на их основе можно будет применять для теплоснабжения на многих объектах, получая при этом экономию ТЭР, составляющую 40-60 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амерханов Р. А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии / Р. А. Амерханов. М.: Колос, 2003. 532 с.
2. Бутузов В. А. Гелиоустановки: основные факторы экономической окупаемости / В. А. Бутузов, Е. В. Брянцева, В. В. Бутузов, И. С. Гнатюк // Промышленная энергетика. 2013. № 5. С. 55-57.
3. Бутузов В. А. Перспективы производства солнечных коллекторов в России / В. А. Бутузов // Промышленная энергетика. 2009. № 5. С. 47-49.
4. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики: Справочник-каталог / под ред. П. П. Безруких М.: АО «Новые и возобновляемые источники энергии», 2005. 170 с.
5. Даффи Дж. Основы солнечной теплоэнергетики / Дж. Даффи, У. Бекман. Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект», 2013. 888 с.
6. Попель О. С. Результаты разработки солнечной водонагревательной установки аккумуляционного типа из полимерных и композитных материалов / О. С. Попель, С. Е. Фрид, А. В. Мордынский, М. Ж. Сулейманов, А. В. Арсатов // Теплоэнергетика. 2013. № 4. С. 40-42.
7. Фортов В. Е. Энергетика в современном мире / В. Е. Фортов, О. С. Попель. Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект», 2011. 168 с.
8. Шишкин Н. Д. Использование солнечной энергии в Астраханской области / Н. Д. Шишкин, Р. А. Ильин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2013. № 2. С. 74-79.
9. Шишкин Н. Д. Комплексная оценка эффективности энергоустановок с использованием возобновляемых источников энергии / Н. Д. Шишкин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2014. № 2. С. 59-66
10. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов / Н. Д. Шишкин. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. 208 с.
Статья поступила в редакцию 18.11.2015
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Шишкин Николай Дмитриевич — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. Лабораторией нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра Российской академии наук (при Астраханском государственном техническом университете); n.shiskin@astu.org.
N. D. Shishkin
ENERGY AND TECHNICAL AND ECONOMICAL EFFICIENCY OF SOLAR WATER HEATING UNITS
Abstract. The best collectors of solar energy (CSE) with a two-layer glazing and glass tube CSE have high energy efficiency, reaching 0.51-0.57. The efficiency of thermal accumulators can reach 0.94-0.99. The efficiency of solar water heaters (SWH) as a whole increases from 0.19 for SWH with flat CSE without glazing to 0.44 for SWH with tubular type CSE. Capital investments in the CSE increase from 2.300 Rub/m2 for non-selective planar CSE without glazing to 25.000 Rub/m2 for glass tube CSE with the increasing life term from 13 to 28 years. The cost of thermal energy generated from the sun increases from 466 Rub/GJ to 1014 Rub/GJ. The specific capital costs for CSE at the maximum allowable payback period 7 years are 1.710-7.240 Rub/m2. These conditions can satisfy only the simplest non-selective flat CSE without glazing and with single glazing. The Laboratory of Alternative Energy of the Saratov Scientific Center under auspices of the Astrakhan State Technical University developed CSE with tubular, finned tube and plate absorbers, the specific costs of which are 2.000-5.000 Rub/m2. Energy efficiency of SWH of a gravitational type with multistage CSE is 0.31, which is only 28 % less than that of a circulation type from non-selective plane collectors with double glazing (NPC-2), that is 0.38. They will be cheaper than SWH of a circulation type with CSE like NPC-2 by 2.5 times. If you use the original, much cheaper CSE like NPC-2, the specific cost of such CSE will not exceed 2.000 Rub/m2. The payback period of SWH of a gravita-
tional type with multistage CSE will not be more than 6 years. They will be more economically effective for the most users currently using fuel and energy resources (FER). The offered CSE and SWH on their bases can be used for heating in many locations, thereby saving of FER will be 40-60 %.
Key words: solar water heaters, collectors of solar energy, energy efficiency, cost of collectors, economical efficiency, payback period, multistage collectors of solar energy.
REFERENCES
1. Amerkhanov R. A. Optimizatsiia sel'skokhoziaistvennykh energeticheskikh ustanovok s ispol'zovaniem vozobnovliaemykh vidov energii [Optimization of agricultural power installations using renewable energy types]. Moscow, Kolos Publ., 2003. 532 p.
2. Butuzov V. A. Briantseva E. V., Butuzov V. V., Gnatiuk I. S. Gelioustanovki: osnovnye faktory eko-nomicheskoi okupaemosti [Solar units: basic factors of economic payback]. Promyshlennaia energetika, 2013, no. 5, pp. 55-57.
3. Butuzov V. A. Perspektivy proizvodstva solnechnykh kollektorov v Rossii [Perspectives of production of solar collectors in Russia]. Promyshlennaia energetika, 2009, no. 5, pp. 47-49.
4. Oborudovanie netraditsionnoi i maloi energetiki: Spravochnik-katalog [Machinery of alternative and small power engineering: Reference catalogue]. Pod redaktsiei P. P. Bezrukikh. Moscow, AO «Novye i vozobnovliaemye istochniki energii». 2005. 170 p.
5. Duffie J. A., Beckman W. A. Solar Engineering of Thermal Processes. Printed in the United States of America by John Wiley & Sons, Inc. 2013. 910 p.
6. Popel' O. S., Frid S. E., Mordynskii A. V., Suleimanov M. Zh., Arsatov A. V. Rezul'taty razrabotki sol-nechnoi vodonagrevatel'noi ustanovki akkumuliatsionnogo tipa iz polimernykh i kompozitnykh materialov [Results of development of solar water heaters of accumulation type from polymer and composite materials]. Te-ploenergetika, 2013, no. 4, pp. 40-42.
7. Fortov V. E., Popel' O. S. Energetika v sovremennom mire [Power engineering in the present world]. Dolgoprudny, Izdatel'skii dom «Intellekt», 2011. 168 p.
8. Shishkin N. D., Il'in R. A. Ispol'zovanie solnechnoi energii v Astrakhanskoi oblasti [Use of solar energy in the Astrakhan region]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, no. 2, pp. 74-79.
9. Shishkin N. D. Kompleksnaia otsenka effektivnosti energoustanovok s ispol'zovaniem vozobnov-liaemykh istochnikov energii [Complex assessment of the effectiveness of power units using renewable power sources]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, no. 2, pp. 59-66.
10. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia avtonomnogo te-plosnabzheniia razlichnykh ob"ektov [Effective use of renewable power sources for autonomous heating of different objects]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, no. 2, pp. 74-79.
The article submitted to the editors 18.11.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Shishkin Nickolay Dmitrievich - 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Laboratory of Alternative Power Engineering of Saratov Research Center of the Russian Academy of Sciences (attached to Astrakhan State Technical University); n.shishkin@astu.org.
