Гелиоводоподогреватели как неотъемлемые элементы инженерного оборудования зданий

Сообщение, которое сделали на международной научно-практической конференции "Решение проблем вентиляции и отопления при строительстве, модернизации и реконструкции зданий" д. т. н., заведующий лабораторией использования ТЭР БелНИИМСХ В. В. Кузьмич и к. т. н., доцент БГПА Д. Д. Жуков


Отсутствие в РБ собственных крупных источников ископаемых энергоносителей и необходимость охраны окружающей среды требуют наряду с внедрением энергосберегающих технологий широкомасштабного применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Очевидно, мы окажемся в состоянии устойчивого развития только тогда, когда сможем умело использовать естественные силы природы, ее возобновляемую энергию.

Каковы же потенциальные возможности ВИЭ в нашей стране? По данным специалистов-энергетиков, это 12,9 млн т условного топлива в год. Для сравнения: в 1994 г. Беларусь израсходовала 37,2 млн т у. т. при собственном производстве 5,8 млн т у. т. Таким образом, общий потенциал ВИЭ составляет около 30% потребности страны в энергии. При этом доля солнечной энергии в структуре запасов ВИЭ - 37,2%. А возможный объем годового использования солнечной энергии на горячее водоснабжение составляет от 3,0 до 4,6 млн т у. т.

Солнечная энергия является одним из наиболее предпочтительных ВИЭ, поскольку требует значительно меньших капиталовложений по сравнению с другими видами ВИЭ. Гелиооборудование просто обслуживать, оно не содержит движущихся элементов, пожаробезопасно и экологически безвредно.

Самый рациональный способ применения солнечной энергии даже небогатым обществом - массовое применение гелиоводоподогревателей для горячего водоснабжения в теплые периоды года. Расчеты показывают, что внедрение для хозяйственно-бытовых целей сельского населения только 25 000 гелиоустановок (каждая площадью от 1,5 до 2,0 м 2) позволит обеспечить горячей водой около 100 000 человек, сократить выбросы вредных газов (CO, NO), сажи на 2,0-2,5 тыс. т в год, дополнительно ввести в энергобаланс страны от 25 до 30 млн кВтч энергии. Гелиоводоподогреватели эффективны и в городских условиях. Их можно применять как в новых, так и в существующих зданиях. Причем разумно предусматривать возможность поэтапной трансформации гелиосистемы для горячего водоснабжения, функционирующей только в теплое время года, в систему, работающую круглогодично, в более же отдаленной перспективе - частично как источник тепловой энергии, используемой для отопления помещений.

На рисунке показан пример архитектурно-конструктивной адаптации главных элементов гелиосистем - солнечных коллекторов, которые вместе с емкостями для хранения нагретой воды в принципе можно называть гелиоводоподогревателями. Циркуляция теплоносителя через солнечный коллектор может быть естественной или принудительной. Гелиосистемы с естественной циркуляцией включают коллекторы, имеющие незначительное гидравлическое сопротивление.

Такие коллекторы, в которых вода циркулирует по поливинилхлоридным трубкам диаметром 20 мм, хорошо зарекомендовали себя в гелиосистемах БелНИИМСХ. Следует отметить, что в БелНИИМСХ проводятся экспериментальные исследования характеристик гелиотехнических систем. Разработаны математические модели расчета гелиосистем с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя, а также с промежуточным теплообменником и рециркуляцией теплоносителя. Начаты работы по двухконтурным гелиосистемам, предназначенным как для горячего водоснабжения, так и отопления помещений.

К сожалению, отечественные коллекторы почти по всем параметрам значительно уступают зарубежным аналогам. Но работа в рассматриваемой области в РБ ведется не только в БелНИИМСХ. Так, в АНТК "Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова" НАНБ разработаны плоские коллекторы с тепловыми трубами, минская фирма "АФА" провела испытания плоских коллекторов, подобных немецким, в НИЭПГП "Институт БелНИИС" (Минск) разработана конструкторская документация плоского коллектора Геус-1. Совершенствование плоских солнечных коллекторов идет в двух направлениях. Это поиск новых неметаллических конструкционных материалов и оптимизация оптико-тепловых характеристик узла "абсорбер-светопроницаемый элемент".

Эффективность применения гелиосистем существенно возрастает, если они являются органическими элементами грамотно запроектированных энергоэффективных зданий солнечной архитектуры. Чтобы отечественные энергоэффективные дома с гелиосистемами походили по эстетическим и техническим качествам на лучшие мировые образцы, следует придерживаться определенных правил, имея в виду, что архитектурно-художественная, конструктивно-технологическая и инженерно-техническая стороны проектов должны быть гармонично взаимоувязаны. Энергоэффективное здание в целом должно быть и солнечным коллектором, и аккумулятором теплоты, и тепловой ловушкой. За счет верных архитектурно-конструктивных решений можно сэкономить до 50% обычно потребляемой тепловой энергии. Важным направлением совершенствования гелиосистем является совмещение конструкции солнечных коллекторов с ограждающими конструкциями зданий, что снижает их стоимость.

Разумеется, следует правильно размещать солнечные коллекторы на зданиях. Установлены оптимальные углы наклона рабочей поверхности коллектора южной ориентации к горизонту для Беларуси: при сезонном использовании (с апреля по сентябрь) - 39, для зимы - 73, для лета - 34, для всего года (при круглогодичном использовании) - 54. Можно менять угол наклона коллектора в зависимости от сезона или чаще. При установке коллекторов один за другим или рядами следует исключать затенение коллекторами друг друга.

При оценке эффективности гелиоводоподогревателей традиционные методики определения экономического эффекта по приведенным затратам, не учитывающие ряд особенностей нетрадиционной энергетики (возобновляемый характер, мягкое влияние на окружающую среду) должны быть дополнены элементами, учитывающими экологические и социально-экономические факторы.