Статья поступила в редакцию 05.12.11. Ред. рег. № 1155
The article has entered in publishing office 05.12.11. Ed. reg. No. 1155
УДК 662.997
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, Е.В. Сушникова
Объединенный институт высоких температур РАН
125412 Москва, ул. Ижорская, д. 13, строение 2 Тел./факс (495)484-23-74, e-mail: o_popel@oivtran.ru
Заключение совета рецензентов: 10.12.11 Заключение совета экспертов: 15.12.11 Принято к публикации: 20.12.11
Выполнено моделирование работы на территории Российской Федерации двух индивидуальных солнечных водона-гревательных установок (СВУ): традиционной СВУ с плоским солнечным коллектором и отдельно размещенным над ним баком-аккумулятором и СВУ, в которой аккумулирование нагретой воды осуществляется непосредственно в солнечном коллекторе. Показано, что при сезонном использовании СВУ в неотопительный период года более эффективными могут оказаться интегрированные емкостные СВУ.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечные водонагреватели, термосифонные солнечные водонагре-вательные установки, интегрированные солнечные водонагревательные установки, имитационное моделирование, анализ показателей эффективности.
COMPARATIVE EFFICIENCY OF SOLAR WATER HEATERS OF VARIOUS TYPES IN THE CLIMATIC CONDITIONS OF THE RUSSIAN FEDERATION
O.S. Popel, S.E. Frid, Yu.G. Kolomiyets, E.V. Sushnikova
Joint Institute for High Temperatures of RAS 13/2 Izhorskaya str., Moscow, 125412, Russia Tel./fax: (495)484-23-74, e-mail: o_popel@oivtran.ru
Referred: 05.12.11 Expertise: 15.12.11 Accepted: 20.12.11
The simulation of solar water heating (SWH) units has been made for climatic conditions of Russian Federation using TRNSYS simulation tool. Two general classes of SWH has been considered: integrated collector-storage unit and flat-plate solar collector with separate heat storage tank. It has been shown that more efficient for seasonal (summer) hot water supply is collector-storage unit.
Keywords: renewable energy sources, solar water heaters, thermosyphon solar installations, integrated solar water heaters, simulations, efficiency parameters analysis.
Олег Сергеевич Попель
Сведения об авторе: доктор технических наук, руководитель лаборатории.
Область научных интересов: энергетика, возобновляемые источники энергии, теплофизика, экология. Публикации: 203.
Семен Ефимович Фрид
Сведения об авторе: кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.
Область научных интересов: энергетика, возобновляемые источники энергии, теплофизика, экология. Публикации: 164.
Юлия Георгиевна Коломиец
Сведения об авторе: кандидат технических наук, младший научный сотрудник. Область научных интересов: энергетика, возобновляемые источники энергии, экология. Публикации: 26.
Елена Валерьевна Сушникова
Сведения об авторе: стажер-исследователь.
Область научных интересов: энергетика, возобновляемые источники энергии, экология. Публикации: 2.
зз
Благодаря ведущимся во многих странах активным разработкам различные технологии использования возобновляемых источников энергии становятся все более конкурентоспособными, а стоимость получаемой с их помощью энергии непрерывно снижается. Вместе с тем во многих случаях они пока еще уступают технологиям, основанным на использовании органических топлив, прежде всего, из-за сравнительно высоких начальных капитальных затрат [1]. Наиболее широко освоено на практике использование солнечной энергии для производства низкопотенциального тепла и, прежде всего, получения горячей воды в солнечных водонагревательных уста-
новках (СВУ). К концу 2010 г. установленная тепловая мощность солнечных установок, предназначенных для теплоснабжения различных потребителей (без учета бесстекольных солнечных коллекторов для нагрева воды в плавательных бассейнах), достигла в мире 185 ГВт, что соответствует использованию более 260 млн м2 солнечных коллекторов [2]. Мировым лидером по масштабам производства и практического применения солнечных установок является Китай (рис. 1), на долю которого приходится около 64% всех действующих в мире солнечных установок [2].
China
-ш Tu:tEy 5 %
Germany 5 %
existing capacity U v V- Í >> [цщ bne brae]. Biäzüi Austria 1 %
Other 12% r ]ndLa. United State' Aaitrilia, Italy 1 %
Рис. 1. Относительное распределение солнечных тепловых установок по странам мира и 12 стран-лидеров Fig. 1. Solar heaters geographical distribution and 12 leading countries
Интересно отметить, что в расчете на одного жителя солнечные водонагреватели наиболее широко используются на Кипре (около 800 м2/1000 чел.), в Израиле (550 м2/1000 чел.), Австрии (450 м2/1000 чел.), Греции (370 м2/1000 чел.) и в Германии (140 м2/1000 чел.) [2]. В России рынок солнечных водонагревателей находится на начальном этапе своего развития, что определяет актуальность задачи освоения промышленного производства отечественных солнечных установок. В этой связи представляется важным обоснование типов и конструкций СВУ, имеющих наиболее благоприятные показатели для практического применения в климатических условиях различных регионов России. При этом, как показывает опыт, ориентация на импорт СВУ зарубежных производителей, как правило, не обеспечивает приемлемые для российских условий технико-экономические показатели, что сдерживает экономически эффективное применение СВУ даже в таких перспективных районах, как юг Европейской части России.
Несмотря на активное проникновение на международный рынок солнечных водонагревателей на основе вакуумированных стеклянных трубок в основном китайского производства, основная часть
эксплуатируемых установок сегодня базируется на использовании термосифонных СВУ, содержащих плоский солнечный коллектор и гидравлически связанный с ним и расположенный выше него (для обеспечения естественной циркуляции воды) бак-аккумулятор.
Известен и другой тип солнечных водонагревателей, получивших название солнечных водонагревателей аккумуляционного типа, в которых нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. Именно с таких установок начиналась история гелиотехники [3]. Такие установки менее мате-риалоемки по сравнению с термосифонными СВУ, и, соответственно, есть основания полагать, что они могут быть более дешевыми в производстве, особенно при использовании современных полимерных и композиционных материалов. Однако в настоящее время серийно они практически не выпускаются: на определенном этапе развития их вытеснили плоские солнечные коллекторы, более простые в изготовлении с применением металла и стекла. К тому же считается, что СВУ аккумуляционного типа менее эффективны с точки зрения преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
чем термосифонные СВУ. Данное утверждение основано прежде всего на том, что в установках аккумуляционного типа имеют место более высокие тепловые потери от нагретой воды (постоянно заполняющей панель солнечного коллектора) через прозрачное ограждение в ночное время, в то время как в термосифонных СВУ горячая вода хранится в хорошо теплоизолированном баке-аккумуляторе.
В данной работе проведено сравнение теплотехнических характеристик СВУ термосифонного и аккумуляционного типа. Для обоих типов установок было выполнено имитационное моделирование их работы на всей территории Российской Федерации с целью сравнения эффективности работы.
Постановка задачи
Термосифонная (раздельная) СВУ рассматривается в простейшей конфигурации, которая включает в себя в качестве основных компонентов солнечный коллектор (СК), водяной бак-аккумулятор и теплоизолированные трубопроводы, обеспечивающие их гидравлическую связь. При поступлении на коллектор солнечного излучения вода в нем нагревается на несколько градусов и за счет естественной или принудительной циркуляции (для простоты при моделировании рассматривалась система с принудительной циркуляцией) поступает в бак-аккумулятор, откуда вновь направляется в солнечный коллектор для дальнейшего нагрева. В периоды недостаточной для нагрева воды в коллекторе интенсивности солнечного излучения циркуляция воды прекращается средствами автоматики и возобновляется, если интенсивность солнечного излучения для нагрева воды возрастает до необходимого уровня. Вода в баке считается полностью перемешанной, поскольку габариты и расположение баков в индивидуальных СВУ, как правило, не позволяют принять меры для поддержания в баке температурной стратификации [4].
В СВУ аккумуляционного типа температурная стратификация в тепловоспринимающей емкостной панели в выполненных расчетах учитывается, для чего панель разбивается на ряд зон аналогично модели стратифицированного бака-аккумулятора, описанной в [4].
Отбор нагретой воды к потребителю в термосифонной СВУ осуществляется из бака-аккумулятора, и, если это необходимо, вода догревается до нужной потребителю температуры резервным нагревателем.
В СВУ аккумуляционного типа отбор нагретой воды осуществляется из верхней наиболее нагретой зоны панели, вода также, если это необходимо, дог-ревается резервным нагревателем.
Параметры солнечного коллектора при моделировании соответствовали типичным [5, 6]: Р(та) = = 0,72 и = 3,6 Вт/м2К. Для СВУ аккумуляционного типа Р(та) и Р Пь считались идентичными параметрам плоского СК в СВУ термосифонного типа.
Оба типа СВУ моделировались в предположении, что бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы идеально теплоизолированы. Объемы бака-аккумулятора и емкостной панели принимались равными 100 л, величина нагрузки составляла 100 л горячей воды в день. Габаритная площадь коллектора - 2 м2 (это соотношение площади СК и объема бака-аккумулятора наиболее часто реализуется на практике).
В качестве показателя энергетической эффективности СВУ использовалась широко известная «доля покрытия нагрузки горячего водоснабжения потребителя за счет солнечной энергии» [4] (в зарубежной литературе ее часто называют «solar fraction», в отечественной - коэффициентом замещения) f
f Qsolar /Qfotal Qsolar / (Qsolar + Qph ),
где Qsolar - энергия солнечного излучения, пошедшая на нагрев воды; Qtoa - суммарная энергия, затраченная на нагрев воды до необходимой потребителю температуры. Она равна сумме Qsolar и энергии, подведенной от резервного нагревателя, Qm. Доля покрытия нагрузки f изменяется в диапазоне от 0 до 1 и представляется весьма удобным показателем эффективности солнечного водонагревателя.
Суточная нагрузка рассматриваемых СВУ, как уже отмечено выше, составляла 100 л горячей воды, нагретой до 37 или 45 °С (в первом случае вода ощущается как теплая, второе значение присутствует в нормативных документах по горячему водоснабжению). Важным фактором при моделировании СВУ является суточный график потребления нагретой воды. В данном случае моделировалась система горячего водоснабжения, работающая на нагрузку, суточный график разбора горячей воды принят по данным [4]. Предполагалось, что СВУ оборудована смесителем, и если температура в баке-аккумуляторе превышает необходимую потребителю, то к горячей воде подмешивается соответствующее количество холодной (10 °С) водопроводной воды. В случае если температура в баке-аккумуляторе ниже требуемой, догрев воды осуществляется резервным нагревателем, расположенным вне бака-аккумулятора.
Анализ показателей эффективности СВУ базируется на имитационном моделировании раздельных и интегрированных установок в конкретных климатических условиях с учетом сделанных допущений. В процессе моделирования рассчитываются ежесуточные показатели установки, фиксируются достигнутые температуры нагрева воды, затем полученные результаты статистически обрабатываются для различных периодов года. Источником исходной климатической информации служат данные NASA SSE [7], содержащиеся в локальной базе климатологических данных [8, 9]. Расчет выполнялся для всей территории Российской Федерации (4004 точки).
Сравнительный анализ эффективности использования раздельных и интегрированных СВУ
Полученные в результате имитационного моделирования доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения (в зависимости от среднегодовой дневной суммы солнечного излучения, приходящего на горизонтальную поверхность) рассматриваемыми типами СВУ для всей территории России в летний период года представлены на рис. 2 и 3.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0-
раздельная СВУ интегрированная СВУ
S, кВтч/м день
Рис. 2. Результаты моделирования работы СВУ в течение летнего периода эксплуатации. Требуемая температура
нагрева воды 37 °С, площадь СК 2 м2 Fig. 2. SWHs operation simulation results for summer period. User needed hot water temperature is 37 °С, solar collector area 2 m2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0-
раздельная СВУ интегрированная СВУ
3
S, кВтч/м день
4
Рис. 3. Результаты моделирования работы СВУ в течение летнего периода эксплуатации. Требуемая температура
нагрева воды 45 °С, площадь СК 2 м2 Fig. 3. SWHs operation simulation results for summer period. User needed hot water temperature is 45 °С, solar collector area 2 m2
В летнее время СВУ аккумуляционного типа демонстрирует лучшие результаты, чем термосифонная СВУ. Объясняется это, по-видимому, значительной температурной стратификацией в тепловосприни-
мающей панели этой установки, что позволяет направлять потребителю в течение дня воду из СВУ с более высокой температурой. В результате наличие температурной стратификации компенсирует повышенные ночные тепловые потери. Влияние температурной стратификации на производительность интегрированной СВУ требует дополнительных исследований, но полученные результаты расчетов позволяют сделать вывод о высокой эффективности таких установок в летнее время.
В холодные периоды года ночные теплопотери превалируют над эффектом стратификации, что подтверждают результаты расчета годовой доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения, приведенные на рис. 4 и 5. В течение всего года СВУ аккумуляционного типа демонстрирует более низкую производительность, чем термосифонная установка.
1.0
раздельная СВУ интегрированная СВУ
S, кВтч/м день
Рис. 4. Результаты моделирования работы СВУ двух типов в течение всего года. Требуемая температура нагрева воды
37 °С, площадь СК 2 м2 Fig. 4. SWHs all-year operation simulation results. User needed hot water temperature is 37 °С, solar collector area 2 m2
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
раздельная СВУ интегрированная СВУ
S, кВтч/м день
Рис. 5. Результаты моделирования работы СВУ двух типов в течение всего года. Расчетная температура нагрева воды
45 °С, площадь СК 2 м2 Fig. 5. SWHs all-year operation simulation results. User needed hot water temperature is 45 °С, solar collector area 2 m2
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Таким образом, выполненные расчеты позволяют утверждать, что в случае летнего сезонного использования, что для климатических условий России актуально, наиболее производительными, несмотря на бытующее мнение об их низкой эффективности, являются СВУ аккумуляционного типа, в которых ночное выхолаживание горячей воды компенсируется за счет значительного уровня температурной стратификации в теплоприемной емкостной панели. Установки же круглогодичного действия предпочтительнее выполнять по схеме с раздельным аккумулированием.
Влияние площади и объема бака СВУ на тепловую производительность
Представляет интерес поиск оптимального соотношения площади СК и емкости бака-аккумулятора СВУ при заданной нагрузке горячего водоснабжения потребителя. С целью оценки влияния указанных конструктивных параметров на тепловую производительность СВУ было выполнено имитационное моделирование двух типов установок при суточной потребности потребителя в 100 л нагретой воды для требуемых температур нагрева воды 37 и 45 °С, площади СК 2 и 3 м2 и емкости бака-аккумулятора 100 и 150 л. Результаты представлены на рис. 6-10, на которых показаны относительные отклонения 5 доли покрытия от ее значения в варианте, принятом в сравнении за базовый.
Видно, что производительность термосифонных СВУ более чувствительна к площади СК по сравнению с установками аккумуляционного типа, что иллюстрирует рис. 6.
25
20
15
10
" раздельная СВУ » интегрированная СВУ
S, кВтч/м день
Рис. 6. Относительное отклонение доли покрытия нагрузки
для СВУ двух типов в летний период при увеличении площади СК с 2 м2 до 3 м2. Расчетная температура нагрева воды 37 °С
Fig. 6. Relative summer solar fraction deviation for two SWH types when solar collector area increases from 2 m2 to 3 m2. Needed hot water temperature 37 °С
Относительный выигрыш в доле покрытия нагрузки при увеличении площади СК с 2 до 3 м2 в наименее солнечных районах для термосифонных СВУ доходит до 30%. Эффект же от аналогичного увеличения площади СК для интегрированных установок составляет только 10%.
Влияние объема бака-аккумулятора на годовую производительность СВУ аккумуляционного типа при > 2,5 кВтч/м2день также незначительно (рис. 7-8), а в летнее время (рис. 9-10) пренебрежимо мало. С увеличением емкости бака-аккумулятора (при неизменной нагрузке) эффективность работы установки практически не растет, а при 5 < 2,5 кВтч/м2день падает. Это объясняется тем, что тепловые потери СВУ аккумуляционного типа в ночное время велики, за ночь вода остывает, и установка не покрывает утренний пик нагрузки.
5-
-10
-15-
É^ ддд й
_ ñ
¿ЙЛ - Д Ь ч : ft №
' A ü ь
S, кВтч/м день
Рис. 7. Относительное отклонение доли покрытия нагрузки для СВУ аккумуляционного типа при увеличении емкости панели со 100 до 150 л (площадь СК 2 м2, год, 37 °С) Fig. 7. Relative solar fraction deviation for two SWH types when its capacity increases from 100 l to 150 l (2 m2, all-year, 37 °С)
S, кВтч/м день
Рис. 8. Относительное отклонение доли покрытия нагрузки для СВУ аккумуляционного типа при увеличении емкости панели со 100 до 150 л (площадь СК 3 м2, год, 37 °С) Fig. 8. Relative solar fraction deviation for two SWH types when its capacity increases from 100 l to 150 l (3 m2, all-year, 37 °С)
0
2
5
0
Д с'*
6 '
i ЙЧР^ ir
ÍL
S, кВтч/м день
Рис. 9. Относительное отклонение доли покрытия нагрузки для СВУ аккумуляционного типа при увеличении емкости панели со 100 до 150 л (площадь СК 2 м2, лето, 37 °С) Fig. 9. Relative solar fraction deviation for two SWH types when its capacity increases from 100 l to 150 l (2 m2, summer, 37 °С)
-4'
Í . Ад _ A aí 6 А <4 л л ¿ 1%
í
А ' & 1 * л s" 4
S, кВтч/м день
Рис. 10. Относительное отклонение доли покрытия нагрузки для СВУ аккумуляционного типа при увеличении емкости
панели со 100 до 150 л (площадь СК 3 м2, лето, 37 °С) Fig. 10. Relative solar fraction deviation for two SWH types when its capacity increases from 100 l to 150 l (3 m2, summer, 37 °С)
Выводы
1. На основе сравнительного имитационного моделирования индивидуальных солнечных водонагре-вательных установок показано, что при сезонном (преимущественно в летнее время) использовании СВУ аккумуляционного типа на большей части территории Российской Федерации, вопреки устоявшемуся мнению, демонстрируют более высокую эффективность, чем традиционные термосифонные СВУ. Данное обстоятельство может быть объяснено тем, что характерные для установок аккумуляционного типа более высокие ночные тепловые потери компенсируются значительной температурной стратификацией воды в теплоприемной панели, в результате чего нагретая солнечным излучением вода по-
ступает к потребителю в течение дня на более высоком температурном уровне, чем это обеспечивает традиционная термосифонная солнечная установка, температурную стратификацию в баке-аккмуляторе которой организовать более сложно или даже невозможно.
2. Выполнен анализ зависимостей эффективности работы СВУ аккумуляционного типа от площади солнечного коллектора и объема тепловосприни-мающей панели и показано, что они выражены слабее, чем у термосифонных установок. Выполненные расчеты показывают, что при характерном типовом суточном графике потребления горячей воды для условного потребителя, потребляющего 100 л нагретой до 37-45 °С воды в сутки, на территории большинства районов России площадь солнечного коллектора 2 м2 и емкость теплоприемной панели 100 л являются близкими к оптимальным с точки зрения обеспечения высокой доли покрытия нагрузки при разумных затратах. Вместе с тем требуются дополнительные технико-экономические исследования в обоснование оптимальной конструкции СВУ.
Работа выполняется при финансовой поддержке Роснауки (Гос. контракт № 16.516.11.6104).
Список литературы
1. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2011.
2. Renewables 2011. Global Status Report // www.ren21.net.
3. Bainbridge D.A. The integral Passive Solar Water Heater Book // Solar Usage Now. 1981.
4. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes (3d ed.). New Jersey. John Wiley & Sons. 2006.
5. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Эффективность использования солнечного излучения для нагрева воды на территории Российской Федерации // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2009. № 6. С. 16-23.
6. Попель О.С., Фрид С.Е., Щеглов В.Н., Сулей-манов М.Ж., Коломиец Ю.Г., Прокопченко И.В. Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежных и отечественных производителей и новые технические решения // Теплоэнергетика. 2006. № 3. С. 11-16.
7. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set // 2011. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/.
8. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коломиец Ю.Г., Лисицкая Н.В. Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных). Учебное пособие. М.: ОИВТ РАН, 2010.
9. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М.: ОИВТ РАН, 2010.
Г>С1 — TATA — LXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
3
4
4
2
0
5