"Только солнце не выставит Вам счёт за отопление…"

Андрей Пчеловский,
Владимир Демченко
ЗАО "ЭнергоАэроТерм"

В последнее время в связи с обострившимися экологическими проблемами и осознанной необходимостью энергосбережения, во всём мире все больше внимания уделяется использованию солнечной энергии для получения тепла.
Значительные возможности энергообеспечения зданий открываются благодаря внедрению солнечных коллекторов для систем горячего водоснабжения и отопления.
Солнечные установки - это устройства, которые дают возможность получать энергию без вредной нагрузки на окружающую среду. Правильно рассчитанная солнечная система может покрыть до 50 - 60% энергетических затрат расходуемых обычно на горячее водоснабжение. Учитывая то, что в последние годы большое внимание отводится энергосберегающим технологиям в строительстве, комбинированные системы с солнечными установками находят все более широкое применение как для ГВС, так и для отопительных систем.
Каждые две недели Солнце отдает Земле такое количество энергии, которое потребляют все жители нашей планеты в течение всего года. Например, на экваторе горячую воду легко получить с помощью солнечного излучения, но нас, прежде всего, интересуют варианты, которые оправдывают себя в наших географических широтах.
По уровню интенсивности солнечного излучения на территории Украины необходимо выделить четыре зоны, показанные на рис.1.

Рис. 1. Интенсивность солнечного излучения на территории Украины.

В первой и второй зонах находятся все южные области Украины; больше половины территории страны находится в третьей зоне, четвертая зона наименее благоприятна для использования солнечной энергии.
Наибольшая величина поступления солнечного облучения составляет в первой зоне l1 = 1350 кВт·час/км2 в год, а наименьшая - в четвертой зоне l4 = 1000 кВт·час/км2 в год. Во второй и третьей зонах эти величины составляют, соответственно, l2 = 1250 кВт·час/км2 и l3 = 1150 кВт·час/км2 в год.
В целом территория Украины относится к зоне средней интенсивности солнечной радиации. В реальных условиях величина плотности прямой и диффузной, солнечной радиации зависит от широты местности, прозрачности атмосферы, характеристик земной поверхности, а также от времени суток и времени года. По этой причине величина годового прихода солнечной радиации на 1 м2 земной поверхности существенно варьируется для разных регионов Украины и имеет статистический характер распределения. Однако вполне очевидной определяющей тенденцией при этом является увеличение плотности солнечной радиации и количества солнечных дней в направлении с Севера на Юг с соответствующим ростом годового прихода солнечной радиации на 1 м2 земной поверхности.
На рис.2. показаны величины энергии солнечной радиации, доходящих до Земли в течение года на 1 м2 горизонтальной поверхности в регионах, представленных шестью украинскими городами. Нетрудно убедиться, что за шесть месяцев теплого периода на поверхность Земли падает большая доля годового количества солнечной энергии.

Рис. 2. Энергия солнечной радиации, достигающая поверхности земли в городах Украины.

Разумеется, что ориентация расположения солнечного коллектора и угол наклона по отношению к движению солнца играют немаловажную роль в теплосъёме коллектора и должны учитываться при проектировании. На рисунке 3 показана диаграмма движения солнца для южного фасада здания.
С помощью солнечных коллекторов энергия солнечного излучения превращается в тепловую энергию. Обычно благодаря специальному покрытию коллектором поглощается до 95% излучения, однако при этом только около 10% выделяется в виде теплового излучения. На поверхность коллектора поступают три вида солнечного излучения: непосредственное, рассеянное и отраженное.Их сумма представляет собой полное излучение.
Системы горячего водоснабжения являются удобным потребителем солнечной теплоты, потому что температура воды в ней не слишком высока, а в летнее время она отличается от температуры наружного воздуха не более чем на 35 - 40ОС, а это позволяет запроектировать солнечную установку при достаточно высоких значениях коэффициента полезного действия солнечного коллектора. При сооружении системы принимается, что температура воды в баке - аккумуляторе может достигать до 70ОС в экстремальных условиях одного дня, если во время работы системы отсутствует разбор воды. Конечно, использование солнечного тепла будет более эффективным, в случае постоянного водоразбора из бака - аккумулятора. Такая эксплуатация системы характеризуется высшей энергетической производительностью.
Известны различные способы получения тепловой энергии за счёт аккумуляции солнечной энергии. Это в первую очередь, водотрубные, солнечные коллекторы, различной конструкции, расположенные на кровле или на земле возле здания. Это аккумулирующие тепло, водотрубные системы, расположенные под кровельным покрытием, системы - использующие в качестве теплоносителя воздух и др. Все эти системы, вместе с отличительными преимуществами, имеют и один существенный недостаток - это их высокая стоимость и как следствие длительные сроки окупаемости. Кроме того, следует учитывать и распределённую весовую нагрузку от коллектора, заставляющую усиливать кровлю здания.
Предлагаемая нами система получения тепла за счёт энергии солнца "AREVIK" лишена указанных недостатков и на наш взгляд имеет большие перспективы для внедрения на рынке как коллектор для получения тепла, так и как утилизатор тепла, в случае использования её в качестве, например пароизоляции здания. Ниже мы приводим фотографии реальных объектов, на которых используется новая система.

Для использования полного излучения солнечной радиации был изготовлен абсорбер из двух слоёв специальной ткани, с внедрённой между ними системой капилляров, без традиционного стеклянного покрытия. Надо сказать, что на сегодняшний день данная работа продолжается, и в ближайшем будущем мы рассчитываем получить абсорберы с температурой применения до 120 0С Цельсия, которые могут применяться и для работы под стеклом.
Предлагаемая нами солнечная установка "AREVIK" состоит из двух баков аккумуляторов соответственно для холодной и горячей воды, двух солнечных коллекторов и соединительных шлангов.
Основные технические характеристики рассматриваемой солнечной установки: термосифонная система, не требующая дополнительного насоса для циркуляции, конструкция сборно-разборная, сезонного применения.
При площади коллекторов - 2,8 м2 и ёмкости бака - аккумулятора 140 литров, вес установки составляет всего 32 кг, производительность в безоблачную погоду при солнечной радиации 800 Вт/м2 - может составить 70 л/час, с температурой воды до 700С.
Конечно экспериментальная проверка, проведенная нами в конце мая - июне в условиях Киева показала другой результат, но не менее впечатляющий. Например, при включении установки на проток, водопроводная вода с температурой 12 0С, после прохождения через коллектор имела температуру 330С, при температуре наружного воздуха 270С. При более низких температурах от 17 до 190С, в статическом состоянии, вода на выходе из коллектора имела температуру до 44-530С в солнечную безветренную погоду и порядка 230С во время дождя с сильным ветром.
Максимальной температуры вода в баке аккумуляторе достигала в дневное время, минимальной в ночное более. Надо учитывать, что проводимая нами проверка не предусматривала изоляции бака аккумулятора и как следствие вода в нём охлаждалась в ночное время. В случае стационарного использования солнечного коллектора эти вопросы должны решатся в ходе проектирования. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в нашей климатической зоне существует реальная возможность использования солнечной энергии для получения горячей воды, а в южных областях Украины тем более.
Условное движение Солнца и вместе с ним угол падения солнечных лучей, которые постоянно изменяются, создают проблему оптимальной ориентации традиционно используемых плоских солнечных коллекторов в направлении Солнца, требуют сложных вычислений угла падения солнечного луча на данную поверхность. В отличие от традиционного используемых солнечных коллекторов рассматриваемая солнечная установка может свободно ориентироваться на солнце в течение дня либо закрепляться в одном положении.
Отличительные характеристики системы - низкая стоимость, малый вес не превышающей расчётной снеговой нагрузки и не требующий дополнительного усиления конструкций, гибкая конфигурация, простота монтажа и эксплуатации, высокий теплосъём с 1 квадратного метра.
Внедрение в топливно-энергетический комплекс Украины предлагаемых солнечных установок будет способствовать переходу на использование местных энергоресурсов, которое уменьшит потребления традиционного органического топлива.
Чтобы определить масштабы его уменьшения, следует сопоставить объемы условного топлива, которые можно сэкономить за счет солнечной энергии с объемами условного топлива, которые соответствуют реальной затрате традиционного топлива.
Размеры сэкономленного условного топлива за счет солнечной энергии дают возможность определить возможные масштабы его использования как по Украине в целом, так и по отдельным областям (табл. 1.). Исходя из опыта эксплуатации солнечных установок горячего водоснабжения в условиях различных регионов Украины, можно дать оценку величины удельной экономии топлива или электроэнергии, отнесенной к 1 м2 солнечного коллектора для различных регионов Украины, представленных уже упомянутыми шестью городами (рис. 4.).

Рис. 4. Ориентировочные значения величин удельной экономии условного топлива или электроэнергии.

На шкале 1 рисунка 4 отложены значения удельной экономии условного топлива, например, в котельной, а на шкале 2 - экономия электрической энергии для варианта солнечного горячего водоснабжения, примененного вместо электроподогрева воды. Указанные на диаграмме значения отнесены к ориентированной к югу поверхности солнечного коллектора, установленного под углом 30О к горизонту.
Зная цены на топливо или тарифы на электроэнергию, можно сопоставить величину ожидаемой экономии эксплуатационных расходов со сметной стоимостью солнечной установки и принять обоснованное решение относительно ее строительства.
Применение в строительстве установок "AREVIK" позволит создать аккумуляторы тепла, использующие энергию солнца, а также различные схемы утилизации тепла, способные коренным образом поменять традиционную систему строительства и энергоэффективности зданий и объектов.

Таблица 1. Замена органического топлива солнечной энергией