Солнечные коллекторы

І. Компоненты солнечной системы

• сравнение КПД различных типов солнечных коллекторов;
• виды емкостных водонагревателей;
• первичный контур солнечной системы;
• стагнация солнечной системы и образование конденсата.

ІІ. Выбор и расчет солнечной системы

• расчет солнечной системы ГВС для коттеджей
• расчет солнечной системы ГВС для многоквартирных домов
• расчет солнечной системы для поддежки системы отопления
• солнечная система для открытого бассейна
• рекомендации по обеспечению рентабельности.

 І. Компоненты солнечной системы

• сравнение КПД различных типов солнечных коллекторов

Наша компания предлагает комплексные решения для систем теплоснабжения, обеспечивающие надежность системы при минимальном потреблении топлива и снижении выбросов СО2. Идеальным дополнением к любому генератору теплоты является солнечная система (гелиосистема) для нагрева воды в системах ГВС и отопления. С её помощью можно сэкономить до 60% годовых расходов теплоты на отоплении и ГВС. Чтобы осуществить интеграцию солнечных систем в систему теплоснабжения требуется четкое согласование системных компонентов, а также правильное проектирование системы теплоснабжения и квалифицированное исполнение. Это необходимые условия для безотказной и эффективной работы солнечной установки, безопасной для людей и зданий.

Солнечная система служит для преобразования солнечного излучения в тепловую энергию. Эффективность такого преобразования определяется уровнем инсоляции, который зависит от времен года, расположения и площади поглощающей поверхности солнечного коллектора.

Промышленное производство солнечных коллекторов началось в середине 70-х годов как реакция на энергетический кризис. Солнечные коллекторы – это высококачественные изделия, срок эксплуатации которых составляет более 20 лет.   Абсорбер – самая важная часть коллектора, именно в нем солнечное излучение преобразуется  в теплоту. Это преобразование во всех коллекторах происходит, в принципе, идентично. Значительные отличия состоят в тепловой изоляции. Абсорбер защищен корпусом из высококачественной листовой стали или алюминия, с фронтальной поверхности закрыт гелиостеклом, обеспечивающим защиту от неблагоприятных погодных условий.

Рассмотрим отличие плоских и трубчатых вакуумированных коллекторов, а также их работу в различных условиях.

           

В плоских коллекторах применяется тепловая изоляция корпуса, антиотражающее покрытие уплотненного стекла, прочная задняя стенка, что обеспечивает долгий срок эксплуатации. Они дешевле чем трубчатые вакуумированные, просто и надежно монтируются на плоской и скатной крыше, встраиваются в кровлю и на фасады зданий, в произвольном месте.

В трубчатом вакуумированном коллекторе абсорбер, как в термосе, встроен в вакуумированную стеклянную трубку. Вакуум обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, поэтому тепловые потери будут ниже, чем в плоских коллекторах, особенно при высоких температурах. Условием надежности и длительности эксплуатации вакуумированых трубчатых коллекторов является герметизация вакуума вокруг абсорбера.

Существует два вида вакуумированых трубчатых коллекторов

 

Рассмотрим такое важное понятие, как площадь коллектора. В солнечных коллекторах для обозначения значений производительности или мощности используются три различных площади, но не всегда в литературе корректно указано, какая площадь имеется в виду. Размер указывается в квадратных метрах.

Площадь брутто —  описывает внешние размеры коллектора и равна произведению его длины на ширину. Для определения производительности коллектора или его оценки площадь брутто не имеет никакого значения, она важна для планирования места с монтажа и выбора транспортных средств.

Площадь абсорбера – относится только к абсорберу. Для пластин абсорберов, перекрывание отдельных пластин не учитываются, поскольку закрытые зоны не относятся к активной площади. Для круглых абсорберов учитывается вся площадь, даже если определение зоны абсорбера никогда не подвергаются воздействию прямого солнечного излучения. Поэтому площадь круглых абсорберов может быть больше площади брутто коллектора.

Площадь апертуры —  в оптике апертурой называют отверстие оптического прибора. Если перенести это понятие на коллектор, то площадь апертуры будет являться максимальная проецируемая площадь, через которую может поступать солнечное излучение.

В плоском коллекторе площадь апертуры является видимая зона защитного стекла, также еще область внутри рамы коллектора.

В вакуумированых трубчатых коллекторах, как с плоскими, так и с круглыми абсорберами без отражающих поверхностей, площадь апертуры определяется как сумма продольных сечений всех стеклянных трубок. Поскольку в стеклянных трубках сверху и снизу находятся наибольшие участки без пластин абсорбера, площадь апертур в этих коллекторах всегда немного больше площади абсорбера.

В основном для расчета коллектора используется площадь апертуры, но в отдельных случаях и площадь абсорбера.

Плоский коллектор:                                    Вакуумированный трубчатый коллектор

А- площадь абсорбера                                            А- площадь абсорбера
В- площадь апертуры                                             В- площадь апертуры
С- площадь брутто                                                  С- площадь брутто

Решающим фактором для выбора типа коллектора является – наряду с наличием  температурой наружного воздуха — ожидаемая разность ?Т между температурой коллектора  и температурой наружного воздуха.

Средняя температура коллектора определяется как среднее арифметическое между температурой подающего и обратного трубопроводов, оказывает значительное влияние на коэффициент полезного действия коллектора, следовательно,  на его производительность. Для выбора типа коллектора большое значение также имеет производительность солнечной системы, для ее оценки необходимо учитывать климатические данные местности и ожидаемый период эксплуатации коллектора (сезонная или круглогодичная эксплуатация) – для большинства случаев применения это круглогодичная эксплуатация. Эти данные позволяют определить ожидаемую разность ?Т между температурой коллектора  и температурой наружного воздуха.

Графики КПД коллекторов

На графике видно, что  средняя разность температур ?Т, например, в солнечных системах горячего водоснабжения с низкой долей замещения тепловой нагрузки значительно меньше, чем в солнечных  системах высокой долей замещение или в установках,  покрывающих часть нагрузки на отопление

С увеличением разности температур между коллектором и наружным воздухом вакуумированные трубчатые коллекторы имеют значительно больший КПД, чем плоские.

Факторы для выбора типа коллектора:

• ожидаемая разность ?Т между температурой коллектора  и температурой наружного воздуха, от чего зависит КПД коллектора
•  решаемая задача

или ГВС с низкой долей замещение нагрузки за счет солнечной энергии

или ГВС с высокой долей замещение нагрузки, с покрытием части нагрузки на отопление

или кондиционирование воздуха

или теплоснабжение технологических процессов

• место и условия  монтажа
• соотношение цена/производительность.

 Если производить выбор по графику КПД коллекторов, то решение всегда будет в пользу вакуумированых трубчатых коллекторов. Однако при выборе коллектора важно знать соотношение цена/производительность. Плоские коллекторы привлекательнее по цене и дают хорошее соотношение цена/производительность, особенно для покрытия нагрузки на горячее водоснабжение.

Виды емкостных водонагревателей

Становится ясно, что потребность в тепловой энергии и энергия, произведенная солнечными системами, не совпадают не только по количеству а и по временным характеристикам – в отличие от установок с традиционными теплогенераторами, где тепловая энергия может быть представлена по требованию. По этой причине в солнечных системах теплоснабжения особое значение имеют емкостные водонагреватели, то есть баки-аккумуляторы, обеспечивающие надежное хранение теплоты полученной из солнечной энергии.

Как правило для аккумулирования теплоты используется вода – недорогой, доступный и технически легко управляемый теплоноситель (нагрев, наполнение, слив). Решающее значение при выборе емкостного водонагревателя (бака-аккумулятора) имеет не его обьем, а энергоемкость. Энергоемкость зависит от температурного диапазона: чем он больше, тем больше энергоемкость на единицу объема бака-аккумулятора.

Для определения необходимого бака-аккумулятора необходимо учитывать температурный диапазон системы, а именно: максимально возможна температура в баке.

Для расчета бака-аккумулятора для системы ГВС в качестве минимальной берется 10°С. В случае использования солнечной энергии для поддержки системы отопление минимальная температура задается значением температуры в обратном трубопроводе системы отопления.

Пример. Определим объем бака-аккумулятора в коттедж для семьи из 4 человек, расход   горячей воды ( 60оС) на одного человека   – 28 л, соответственно 112 л в сутки.

При температуре холодной воды 10оС это соответствует количеству энергии 6,5 кВт/ч, плюс потери теплоты в баке аккумуляторе (1,5 кВт/ч) и циркуляция в системе ГВС (1,5 кВт/ч). Таким образом, общее количество теплоты для системы ГВС составляет 9,5 кВт/ч.

При высокой доле покрытие нагрузки на ГВС за счет солнечной энергии необходимо аккумулировать двойное количество энергии, также еще 19 кВт.

Объем бака-аккумулятора вычисляется по формуле:

,  где

m – обьем бака-аккумулятора;

Q – количество энергии;

Cw – теплоемкость воды;

?Т – разность температур.

Итак, при температуре холодной воды 10оС оббьем на 19 кВт/ч составляет при максимальной температуре :

При 60°С:     

При 80°С:      

При 90°С:        

Энергоемкость водонагревателя можно определить по той же формуле:

а) при m=500 литров, температуре холодной воды 10оС, емкостный водонагреватель для горячей воды:

б) при m=500 литров, температуре в обратном трубопроводе теплообменника  15оС, емкость буферного водонагревателя для горячей воды:

в) при m=500 литров, температуре обратного трубопровода отопительного контура  30оС:

Принципиально важно: большой водонагреватель выгоднее нескольких небольших, так как теплопотери большого водонагревателя заметно меньше в сравнении с несколькими  небольшими вследствие лучшего соотношения площади поверхности и объема.

В зависимости от размера, качественно изолированный водонагреватель для солнечных систем ГВС имеет теплопотери от 1,5 до 3 кВт/ч в день. Особо критичными является недостаточно качественно изолированные соединения водонагревателя – тепловые потери могут резко увеличиваться в 2 раза. В водонагревателе объемом 300 л., например, в течение одного года можно потерять 4 кВт/ч в день* 365 дней = 1460 кВт/ч. Если половину потерь считать неизбежными, то остальная половина приведет к дополнительной потребности в 1м² площади коллектора.

Виды емкостных водонагревателей

Принцип работы буферной емкости

Буферная емкость, как своеобразный менеджер, позволяет интегрировать различные генераторы и потребители теплоты.

Первичный контур солнечной системы

Первичным контуром солнечной системы называются все компоненты и трубопроводы, соединяющие солнечный коллектор с емкостным водонагревателем.

Солнечные коллекторы могут работать с различными значениями удельного расхода теплоносителя. Расход измеряется в литрах/ч на 1 м² площади абсорбера.

При увеличении разности температур ( то есть при уменьшении расхода ) средняя температура коллектора возрастает, а его КПД падает. Правда, при уменьшении расхода теплоносителя требуется меньше электроэнергии для работы насоса и можно использовать соединительные трубопроводы меньшего размера.

Различают три режима:

• режим минимального расхода – режим с расходом до 30 л/(ч·м²);
• режим максимального расхода — режим с расходом более 30 л/(ч·м²);
• режим регулируемого расхода- режим с переменным расходом.

Удельный расход должен быть таким, чтобы обеспечить надежную циркуляцию по всему гелиоконтуру. В солнечных  системах с плоскими коллекторами и вакуумированными трубчатыми коллекторами  с тепловыми трубами, эта величина составляет 25 л/(ч·м²) при полной мощности насоса.

В прямоточных вакуумированых трубчатых коллекторах, отдельные трубки которые соединены параллельно, удельный расход теплоносителя должен составлять не менее 40 л/(ч·м²). В коллекторах такого типа режим с регулируемым расходом не рекомендуется, поскольку это нарушает равномерный  расход теплоносителя через коллектор.

Пример. В установке с  7 плоскими коллекторами по 2,3 м², то есть площадью абсорбера 16,1 м², и требуемым удельным расходом 25 л/(ч·м²) расход составляет 402,5 л/ч или 6,7 л./мин.

Это значение должно достигаться при максимальной (то есть 100%) производительности насоса.

Регулирование может осуществляться с помощью переключение ступней производительности насоса. Следует выбирать ступень производительности насоса, которая превышает требуемое значение расхода.

Решающее значение для определения диаметра трубопровода гелиоконтура имеет скорость потока при расчетном расходе теплоносителя.

Для снижения потерь давления скорость теплоносителя в трубе не должна превышать 1 м/с. Рекомендуемые значения скорости теплоносителя – от 0,4 до 0,7 м/с. При увеличении скорости возрастают потери давления, при уменьшении скорости затрудняется удаление воздуха.

Пример. Для гелиополя с 7 коллекторами (расход теплоносителя 402,5 л/ч или  6,7 л/мин) получаем такие значения:

• для медной трубы 15х1 (DN13)- скорость 0,84 м/с;
• для медной трубы 18х1 (DN16)- скорость 0,55 м/с;
• для медной трубы 22х1 (DN20)- скорость 0,35 м/с;

В результате выбираем медную трубу DN16.

В солнечных системах расчет потерь давления являеться одним русловий безотказной и экономной работы всей установки.

Суммарные потери давления в первичном контуре солнечной системы определяется в результате сложения следующих потерь давления

• потери давления в коллекторе;
• определение диаметра трубопровода, считая необходимую скорость потока от 0,4 до 0,7 м/с;
• потери давления в трубопроводе в бар/м;
• потери давления в теплообменнике;
• потери давления в арматуре и других компонентах (определяются по технической документации).

• стагнация солнечной системы и образование конденсата

Солнечный коллектор генерирует теплоту тогда, когда излучение попадает на абсорбер – независимо от фактической тепловой нагрузки. Если отбор теплоты в системе невозможен или нецелесообразен, то система отключается и переходит в состояние стагнации. При наличии инсоляции это ведет к росту температуры в коллекторе до максимального значения, когда теплопоступления ровны теплопотерям. При этом в коллекторе достигаются температуры, как правило, превышают точку кипения теплоносителя в гелиоконтуре.

К стагнации может привести также отключение электроэнергии, когда отбор теплоты от коллектора не осуществляется. Такая ситуация должна обязательно учитываться при проектировании солнечных систем.

Процессы происходящие в солнечных системах при стагнации достаточно известны и делятся на 5 фаз.

Фаза 1: Расширение жидкости.

При наличии инсоляции теплоносителя не циркулирует в следствии того, что насос гелиоконтура отключен. Обьем теплоносителя увеличивается, и давление в системе возрастает примерно на 1 бар, до достижения температуры кипения.

Фаза 2: Испарение теплоносителя.

При закипании теплоносителя  в коллекторе образуется пар, давление в системе возрастает еще на 1 бар. Температура теплоносителя достигает примерно 140оС.

Фаза 3: Кипение в коллекторе.

До тех пор, пока в коллекторе находится жидкий теплоноситель, происходит парообразование. При этом концентрация водно-глинолевой смеси увеличивается и температура кипения возрастает. Давление в системе продолжает расти и достигать максимума, теплоноситель нагревается до температуры 180°С.

Фаза 4: Перегрев.

В следствии повышения концентрации теплоносителя испаряется все меньше воды. В результате возрастает температура кипения, а следовательно температура в коллекторе. Давление уменьшается, температура в коллекторе достигает температуры стагнации. Это состояние будет продолжатся, пока инсоляция будет достаточно для того, чтобы поддерживать в коллекторе температуру стагнации.

Фаза 5: Повторное заполнение коллектора.

При уменьшении инсоляции температуры коллектора и давление в системе падают. Пар конденсируется, и теплоноситель заполняет коллектор. При попадании  жидкости на перегретые части коллектора может происходить незначительное преобразование.

Для плоских коллекторов влияние угла наклона на опорожнение при стагнации незначительно, а в трубчатых коллекторах – наоборот, за счет более удачного расположения можно значительно улучшить опорожнение при стагнации.

Что касается особенностей стагнации, то предпочтительным является использование солнечных систем с низким давлением. Поэтому важно отрегулировать оптимальное давление в системе: избыточного давления в коллекторе 1 бар (при наполнении и температуре теплоносителя около 20оС) будет вполне достаточно.

Нередко можно увидеть такое явление, как запотевшее стекло коллектора, однако в большинстве случаев это явление оценивают неверно. Вакуумированные трубчатые коллекторы герметичны, в них не может конденсироваться влага. Если на внутренней стороне вакуумированной трубки образуются капли воды, значит в трубке есть дефект – такую трубку следует заменить.

Большинство стандартных плоских коллекторов снабженны отверстиями для вентиляции и удаления воздуха, чтобы  влага воздуха не могла конденсироваться в устройстве. При нормальных условиях эксплуатации для этого производится примерно 50-кратный воздухообмен в сутки. При этом, особенно в первые дни работы установки, на внутренней стороне остекления  может происходить интенсивное образование конденсата, до тех пор пока не стабилизируется микроклимат в коллекторе.

При уменьшении нагрева солнцем (инсоляции) вечером или в облачный день воздухообмен практически прекращается, и в коллектор попадает более холодный и влажный воздух.

При возобновлении инсоляции влага испаряется и оседает в виде конденсата на внутренние части остекления. Процесс конденсации влаги вполне естественен и не повреждает коллектор. Примерно через 30 минут коллектор должен высохнуть и стекло очистится. И тогда солнечное излучение снова полностью преобразуется в тепловую энергию.

Каждый воздухообмен – это небольшая потеря теплоты в коллекторе. Размер вентиляционных отверстий —  это компромисс между скоростью высыхания влаги и производительностью коллектора.

При определенных условиях воздухообмен может быть затруднен:

• малый угол наклона коллектора затрудняет конвекцию,
• очень влажный климат, например, вблизи водоемов или в туманных местностях,
• загрязнение поверхности коллектора листовой ухудшает циркуляцию воздуха.

Целенаправленнее просушивание коллектора через отключение часто решает проблему.

ІІ. Выбор и расчет солнечной системы

• расчет солнечной системы ГВС для коттеджей

Как и при подборе любого другого оборудования для системы теплоснабжения, при проектировании солнечной системы, прежде всего, определяют цель расчета. Поскольку солнечная система почти всегда является частью бивалентной установки, целю по существу, является определение доли нагрузки системы теплоснабжения, покрываемое за счет солнечной энергии. Часть системы теплоснабжения, подключается к традиционному источнику энергии, рассчитывается независимо от солнечной системы. Тем не менее, взаимодействие между различными источниками теплоты имеет важные значение для достижение максимальной эффективности системы в целом, и следовательно, для эффективности энергосбережения.

Целью расчета солнечной системы ГВС в коттеджах  является покрытие годовой нагрузки на ГВС за счет солнечной энергии на 60%, при этом летом достигается практически полное расчетное покрытие нагрузки на ГВС. С технической и экономической точки зрения более высокая доля покрытия нагрузки на ГВС в коттеджах доме нецелесообразна.

Для этого емкостный водонагреватель солнечной системы должен содержать количество воды, равное ожидаемому дневному потреблению на ГВС. Размеры коллектора солнечной энергии определяются из расчета, чтобы весь объем емкостного водонагревателя за солнечный день (около 5 полных солнечных часов) нагревался до 60оС. Это позволяет обеспечить нагрузку на ГВС в следующий день с более слабой инсоляцией. С этой точки зрения определяют соотношение между объемом водонагревателя и площадью коллектора.

В коттеджах среднесуточный расход воды на ГВС на человека выше, чем много-квартирном доме. Для расчета можно принимать значение расхода 30л на человека при температуре 60°С.

В качестве основного соотношения для выбора бивалентного водонагревателя можно принимать – на 100л объема водонагревателя — 1,5 м² или 1,0 м²  вакуумированного трубчатого коллектора. Условие: поверхность крыши может иметь отклонение от кожного направления не более 45оС, а угол наклона крыши находится в пределах от 25о до 55о. Иначе потери производительности компенсируются небольшим увеличении площади коллектора.

Если к системе ГВС подключена посудомоечная машина, то расход воды увеличивается на 10л за один посудомоечный цикл. Если стиральная машина подключена к системе ГВС, то расход увеличивается в среднем на 20л  за одну стирку.

Пример. Базовая солнечная система:

               угол наклона  крыши 45 о, ориентация – юг,

              доля замещения нагрузки ГВС за счет солнечной энергии 61%.

Если меняется угол наклона коллектора на 60 о , то доля замещения становится 59%.

Если меняется ориентация на юго-запад, то доля замещения становится 59%.

Как видно, влияние дополнительных факторов относительно невелико.

• расчет солнечной системы ГВС для многоквартирных домов

В многоквартирных домах солнечная система рассчитывается на минимальное потребление тепла на ГВС в летний период. Поэтому количество теплоты, которое вырабатывается за счет солнечной энергии полностью потребляется в системах ГВС в любое время года. Определяющей величиной является суточный расход 60 л горячей воды с температурой 60оС на квадратный метр площади коллектора. На основании этой величины определяется площадь коллектора.

Если солнечная система оптимизирована по данной величине, доля замещения нагрузки на ГВС за счет солнечной энергии ограничивается около 35%. Повышение доли приведет к выработке излишков теплоты и снижению удельной производительности солнечной системы. В результате расчета определяют количество теплоты, необходимое для нагрева воды от 10 до 60оС, а также площадь коллектора, необходимую для производства такого количества теплоты.

Пример. Солнечная система с плоскими коллекторами, 240 человек, измеренный расход 25 л  на человека при температуре 60оС, то есть 6000 л в сутки.

Для среднего, на пасмурного летнего дня можно на основании коэффициента полезного действия коллектора  определить максимальное количество теплоты с одного квадратного метра площади коллектора :

• для плоских коллекторов – около 3,4 кВт·ч/ м²·день
• для вакуумированых трубчатых коллекторов – около 4,3 кВт·ч/ м²·день

С помощью этого количества плоских коллекторов с одного квадратного метра площади при угле наклона 45оС и ориентации на юг можно нагреть 60-70л воды до температуры 60оС (для вакуумированых трубчатых коллекторов это количество будет примерно на 25% больше).

Отсюда получаем, что для нагрева 6 000л  воды необходима площадь коллектора 100 м²

 ( что составляет 43 плоских коллектора).

• расчет солнечной системы для поддежки системы отопления

Опыт показывает, что заинтересованные лица не всегда правильно оценивают возможности солнечных систем в существующих зданиях для поддержки системы отопления. Поэтому во время консультаций необходимо как можно раньше откорректировать такие ошибочные оценки и прояснить реальные возможности поддержки систем отопления солнечными системами:

• солнечная система не заменяет традиционный генератор теплоты и не уменьшает его мощность;
• солнечная система должна рассматриваться как составная часть системы теплоснабжения, в которой большое значение имеет эффективность традиционного генератора теплоты. Интеграция регенеративных видов энергии повышает эффективность всей системы теплоснабжения, но не может заменить ее;
• без сезонного аккумулирования возможности использования солнечных систем отопления ограничены. Есть дополнительный рисунок кривыми производительности солнечной системы при площади абсорбера 30 или 50 м², станет ясно, что дополнительно полученная энергия большей частью уйдет в летние излишки выработки теплоты солнечной системой;
• каждая солнечная система для поддержки системы отопления летом простаивает в течение долгого времени, если к системе не подсоединены исключительно летние потребители теплоты. Связанное с этим парообразование требует очень тщательного проектирования и монтажа солнечной системы.

На практике существует два подхода к определению параметров солнечных систем для поддержки системы отопления.

1. Ориентация на долю замещения тепловой нагрузки.

Базовая величина доли замещения тепловой нагрузки часто вытекает из  желания потребителя или его ожиданий, что во многом связано с рекламой. При поддержке системы отопления расчет делается на определенную долю замещения тепловой нагрузки за счет солнечной энергии без серьезного рассмотрения реальных возможностей замещения отопительной нагрузки отапливаемого здания. Долю замещения тепловой нагрузки получают в соответствии с проектной тепловой нагрузкой здания, и она мало пригодна для использования в качестве целевой величины.

2. Ориентация на отапливаемую жилую площадь здания.

Вторым подходом является расчет на основании отапливаемой жилой площади здания. Однако, если учесть значительное изменение тепловой нагрузки на отопление в течении года, становится ясно, что общие рекомендации по расчету должны охватывать очень широкий диапазон тепловых нагрузок: интервал рекомендуемой площади коллектора от 0,1 м² до 0,2 м² на квадратный метр отапливаемой площади означает изменение размеров гелиополя в 2 раза, что усложняет возможность четкого и понятного определения размеров гелиополя. Кроме того, влияние потребности в горячей воде в летний период не учитывается соответствующим образом при проектировании – не существует четкого соотношение между отапливаемой жилой площадью и расходом воды на горячее водоснабжение. Солнечная система, рассчитана только на отапливаемой площади, в здании с площадью 250 м², где живут два человека, имеет иные характеристики, чем солнечная система в доме, где живет семья из 5 человек.

Основой для определения параметров солнечной системы для поддержки системы отопления является тепловая нагрузка в летний период. Она состоит из тепловой нагрузки на горячее водоснабжение, и тепловых нагрузок других потребителей ( в зависимости от объекта), которые также могут покрываться солнечной системой, например, для предотвращение конденсации в подвальных помещениях.

Для такого летнего потребления рассчитывается соответствующая площадь коллектора. Эта площадь коллектора умножается на коэффициент 2 и коэффициент 2,5 – результат умножения образуют диапазон, в котором должна находится площадь коллектора для поддержки системы отопления. Точное определение площади гелиополя производится  с учетом строительных размеров и проектирования надежного в эксплуатации гелиополя. Если в результате расчета получается, например, семь или восемь коллекторов, а на южном скате крыши площади достаточно только семи, то нецелесообразно устанавливать восьмой коллектор на крыше гаража.

Пример. Для одноквартирного жилого дома рассчитана площадь коллектора для горячего водоснабжения 7м² (плоский коллектор), дополнительное летнее теплопотребление отсутствует. Таким образом, площадь коллектора для поддержки системы отопления должна составлять от 14 до 17,5 м². Значит следует выбирать семь плоских коллекторов с площадью абсорбера по 2,33 м², то есть общая площадь гелиополя составляет 16,3 м².

• солнечная система для открытого басейна

По теплопотреблению плавательные бассейны делятся на три категории, из которых можно вывести различные правила их интеграции в общую систему теплоснабжения:

• открытые бассейны без подогрева традиционными источниками теплоты;
• открытые бассейны, в которых поддерживается определенная температура;
• крытые плавательные бассейны для круглогодичного использования, где поддерживается постоянная требуемая температура.

Использование солнечной системы позволяет увеличить базовую температуру воды в бассейне.

Увеличение базовой температуры зависит от соотношения площади абсорбера солнечного коллектора.

В открытых бассейнах с защитным покрытием величина расчетной площади абсорбера достигает 50% площади поверхности бассейна.

Этот график показывает связь между отношением площади поверхности бассейна и площади абсорбера солнечного коллектора и повышением температуры. В качестве базового значения «естественной» средней температуры воды в бассейне в разгар лета принимается температура 20°С. По опыту известно, что повышение температуры на 3-4К достаточно для достижения комфорта. Этого можна достичь с помощью солнечной системы с площадью коллектора, которая равна половине площади поверхности бассейна.

Если вода в бассейне доводится до определенной температуры и поддерживается на этом уровне с помощью обычной отопительной установки, то солнечная система обеспечивает ее поддержку. В таких бассейнах можно определить необходимую площадь коллектора, отключив котельную установку в солнечную погоду на 48 часов и точно измерив падение температуры. По разности температур и объему бассейна можно рассчитать его суточную потребность в теплоте.

Пример. В безоблачный солнечный день солнечная система в среднем вырабатывает для подогрева воды в бассейне 4,5 кВт*ч/ м² площади абсорбера.

Площадь поверхности бассейна: 36 м².

Средняя глубина бассейна: 1,5м.

Объем бассейна: 54 м3.

Снижение температуры на 48 часов: 2К.

Суточная потребность в теплоте:

                                   

Площадь коллектора:

                                   

Соответственно получается, на 1 м² площади поверхности бассейна получаем площадь коллектора около 0,4 м².

Для расчета солнечной системы для плавательного бассейна к площади коллектора для обогрева плавательного бассейна добавляют площадь коллектора для ГВС. Объем емкостного водонагревателя определяется по суммарной площади коллектора.

 

• рекомендации по обеспечению рентабельности

В 80% случаев поводом для монтажа солнечной системы в одноквартирном доме является модернизация системы теплоснабжения. Поэтому перед такими заказчиками стоит вопрос экономичности солнечной системы в связи с общими затратами на модернизацию.

В случае полной модернизации системы теплоснабжения, при составлении предложения необходимо разделить на солнечную систему и затраты на систему теплоснабжения, то есть выделить отдельно фактически дополнительные затраты, связанные с гелиоустановкой. Такое раздельное представление затрат на модернизацию облегчает решение об использовании солнечной системы.

Затраты на систему теплоснабжения относятся к работам и компонентам которые необходимы для функционирования системы теплоснабжения. Тем не менее, очень часто они оказываются в той части предложения, которая относится к солнечной системе. В основном это касается трех видов затрат:

• подключений холодной и горячей воды к емкостному водонагревателю;
• подключения и регулирования нагрева (догрева) емкостного водонагревателя;
• затраты на традиционный моновалентный емкостный водонагреватель.

Затратами на солнечную систему является только дополнительные затраты на бивалентный водонагреватель (по сравнению с моновалентным), и это нужно подчеркнуть особо.

Для калькуляции солнечных систем в новых домах исходят примерно из тех же условий, что и в случае с модернизацией. В новостройках чистый монтаж солнечной системы стоит меньше, однако больше затрат требуют различные согласования и более частые поездки на объект.

Для больших солнечных систем необходимо уже на этапе предварительного проектирования и выбора концепции представить реалистичную оценочную стоимость, чтобы решить, нужно ли вообще детально проектировать установку. По опыту известно, что здесь нужно заранее представить данные об общем объеме мероприятий, которые позволяют определить себестоимость тепла, полученного с помощью солнечной энергии.

Оценка затрат в зависимости от площади гелиополя с плоскими коллекторами включает затраты на подключение емкостных водонагревателей и догрев.

На основе вышеуказанных оценок можно определить долю отдельных компонентов и узлов в общих затратах. При этом следует учесть, что доля затрат на «монтаж гелиополя и опорной конструкции», а также на трубопроводы является статистическими средними значениями, которые в отдельных случаях могут сильно отличатся от реальных.

Распределение затрат по компонентам:

30%  коллекторы

15%  водонагреватель и теплообменник

15%  монтаж гелиополя и опорной конструкции*

20%  трубопроводы*

10%  проектирование

5%    регулирование

5%    прочее

* в неблагоприятных случаях обе эти позиции могут составить до 50% общих затрат.

Определение стоимости теплоты, полученной с помощи солнечной энергии

Основной экономической оценкой солнечной системы является цена за киловатт-час теплоты, выработанной с использованием солнечной энергии. Такая себестоимость теплоты называется также стоимостью теплоты, полученной с помощью солнечной энергии, и может быть относительно просто рассчитана. Основными исходными данными для расчета являются: капитальные затраты, годовые эксплуатационные затраты, потеря процентов на использованный капитал и ожидаемая производительность солнечной системы. Используемые в расчете показатели сравнимы с показателями, применяемыми в расчете затрат на другие генераторы теплоты и определяются  следующим образом.

Капитальные затраты

Это все затраты на солнечную систему и все накладные расходы, необходимые для сооружения установки. Сюда, например, относятся расходы на подъемный кран но не на конструкцию крыши, если ее так или иначе, необходимо провести но по времени это совпало с сооружением солнечной системы.

Из суммы капиталовложений вычитаются все сэкономленные затраты на компоненты (затраты на модернизацию системы теплоснабжения). Если солнечная система сооружается например, в рамках реконструкции системы теплоснабжения и при этом используя бивалентный водонагреватель, можно из затрат на солнечную систему вычесть стоимость уже не нужного моновалентного водонагревателя.

Затраты на потребление энергии

Здесь учитываются только затраты на электроэнергию для питания регулятора и насосов. При использовании правильно подобранных насосов можно использовать коэффициент 50, то есть с помощью 1 кВт*ч электроэнергии солнечная система может произвести 50 кВт*ч тепловой энергии.

Коэффициент аннуитета

С помощью коэффициента аннуитета производится перерасчет капитальных затрат на всю солнечную систему за год с учетом срока эксплуатации и принятых процентов на капитал. Это определяет капитальные затраты в зависимости от годовой процентной ставки. Коэффициент аннуитета определяют исходя из срока эксплуатации 20 лет:

Fa – коэффициент аннуитета

Р – ставка процента на капитал в виде десятичной дроби

Т – срок эксплуатации установки (количество лет)

Коэффициент аннуитета в зависимости от процентной ставки при сроке эксплуатации 20 лет.

Процентная ставка                Коэффициент аннуитета
3%                                            0,067
4%                                            0,074
5%                                            0,080
6%                                            0,087
7%                                            0,094
8%                                            0,102
9%                                            0,110
10%                                          0,117

Стоимость теплоты, полученной с помощью солнечной системы

Кроме выше названых величин в определение стоимости теплоты, полученной с помощью солнечной системы, включается еще годовая производительность солнечной системы

Ksol – стоимость теплоты, полученной с помощью солнечной системы в €/кВт·ч

Kinv – капитальные затраты в €

Kbetr – эксплуатационные затраты в €/год

Kverbr – затраты на потребление энергии в €/кВт·ч

Fa – коэффициент аннуитета

Qsol – производительность солнечной системы в кВт·ч/год

Стоимость теплоты, с помощью солнечной системы Ksol – это стоимость одного киловатт-часа теплоты в евро, она действительная на протяжении всего срока эксплуатации установки.

Пример . Солнечная система с площадью гелиополя 170 м²

При стоимости установки 100 000€ за вычетом субсидии 20 000€ капитальные затраты составляют 80 000€. Производительность солнечной системы составляет 81 600 кВт·ч/год (480 кВт·ч/ м² в год). Техническое обслуживание и ремонт составляют 1,5 % стоимости солнечной системы, стоимости электроэнергии составляет 0,2 €/кВт·ч. Ожидаемый процент на капитал – 5%.

Kinv – 80 000€

Kbetr– 1500€

Kverbr – 0,004 €/кВт·ч.

Fa – 0,08

Qsol – 81 600 кВт·ч

Стоимость одного киловатт-часа, произведенного с помощью солнечной системы, составляет 10,1 цента.

Пример . Солнечная система с площадью гелиополя 50 м².

При стоимости солнечной системы 35 000€ за вычетом субсидии 7 000€ капитальные затраты составляют 28 000€. Производительность солнечной системы составляет 20 000 кВт·ч/год (400 кВт·ч/м² в год). Техническое обслуживание и ремонт составляют 1,5 % стоимости солнечной системы, стоимости электроэнергии составляет 0,2 €/кВт·ч. Ожидаемый процент на капитал – 5%.

Kinv – 28 000€

Kbetr– 525€

Kverbr – 0,004 €/кВт·ч.

Fa – 0,08

Qsol – 20 000 кВт·ч

Стоимость одного киловатт-часа, произведенного с помощью солнечной системы, составляет 14,2 цента.

Пример . Солнечная система ч площадью гелиополя 5 м².

При стоимости установки 4 000€ за вычетом субсидии 500€ капитальные затраты составляют 3 500€. Производительность солнечной системы составляет 1 750 кВт·ч/год (350 кВт·ч/м² в год). Техническое обслуживание и ремонт составляют 1,5 % стоимости солнечной системы, стоимости электроэнергии составляет 0,2 €/кВт·ч. Ожидаемый процент на капитал – 5%.

Kinv – 3 500€

Kbetr– 60€

Kverbr – 0,004 €/кВт·ч.

Fa – 0,08

Qsol – 1750 кВт·ч

Стоимость одного киловатт-часа, произведенного с помощью солнечной системы, составляет 19,8 цента.

Важно, чтобы для определения расходов на энергию, предоставляемую традиционным способом, принимались реалистичные коэффициенты использования – например на горячее водоснабжение летом. Эксплуатационные расходы при традиционном производстве теплоты не нужно учитывать при расчете экономии. Комбинация с солнечной системой оказывает, правда как  правило положительное влияние на эксплуатационные характеристики котельной установки (уменьшение пусков горелки), но финансовые затраты на техническое обслуживание и ремонт при этом практически не снижаются.

Пока принятый рост на энергию находится в логических пределах, он оказывает сравнительно небольшое влияние на срок амортизации. Рост цен на энергию имеет большое влияние только на экономию средств в денежном выражении за этот период. При сроке эксплуатации солнечной системы  более 20 лет конечно очень сложно точно просчитать экономию, например до 2030 года.

Пример. Стоимость теплоты полученой с помощью солнечной системы 0,101 €/кВт·ч цена на первичную энергию в первый  год 0,08 €/кВт·ч  коэффициент использования традиционного источника теплоты 70%.