Солнечная альтернатива газу
Солнечные системы ГВС и отопления на основе медных коллекторов — реальная экологичная альтернатива органическим видам топлива в ЖКХ
События этой зимы — выяснения отношений между Украиной и Россией по газовому вопросу, газовая драма в конце января в Грузии — со всей отчетливостью выявили зависимость целых регионов от природного газа. От дефицита топлива или роста цен на него страдает и промышленность, и социально чувствительное ЖКХ.
Ясно, что мгновенной полноценной альтернативы природному газу нет. Однако в ЖКХ дела обстоят не столь однозначно. Если исключить «грязные» альтернативы газу — дрова, уголь, опилки и торф, — то наиболее перспективным является применение солнечных коллекторов для нагрева воды — гелиоколлекторов.
Отношение к использованию солнца для нагрева воды и отопления в ЖКХ в России, Закавказье и на Украине двойственное: с одной стороны — малая гелиоэнергетика (а солнечный нагрев воды относится именно к малой энергетике) считается чем-то экзотическим и почти несерьезным, малоэффективным, изобретением ученых-экспериментаторов, а с другой стороны — интуитивное понимание экономической выгоды от такого способа использования «дармовой» энергии солнца способствует самостоятельному устройству гражданами и отдельными организациями примитивных гелиосистем, как правило, в «частном секторе».
Эксперименты с гелиоколлекторами проводились еще в советские времена в Крыму и ряде южных регионов в рамках специальных программ, где нам доводилось видеть внушительных размеров солнечные установки, в т. ч. неисправные и «замороженные». Доступность и дешевизна классических видов энергии не способствовали распространению альтернативных ее источников, а порой приводили и к саботажу энергосбережения.
Ключевым для экономической и функциональной привлекательности солнечного нагрева воды является высокий КПД,т. е. способность собрать с ограниченной площади (например, одного из скатов кровли, одной из стен фасада) и передать с минимумом потерь теплоносителю достаточное количество энергии. Достаточное для того, чтобы этот источник стал, например, основным для ГВС и отопления, а классические системы — резервными (аварийными). Причем, чем дальше от традиционных солнцедостаточных широт, тем острее встает вопрос о к. п. д. Достаточно сказать, что даже на южном берегу Крыма системы с низким к. п. д. получили ограниченное применение. Их роль была в значительной степени негативна, поскольку примитивные системы солнечного нагрева воды успели дискредитировать сам принцип использование энергии солнца в ЖКХ в средних широтах.
Примитивные системы не обладают высоким КПД (по умолчанию). Другая крайность — коллекторы на основе вакуумных труб. Они хоть и обладают высоким КПД, однако были и остаются очень дорогими. Ситуация изменилась с появлением коммерчески доступных гелиоколлекторов на основе черненых медных пластин. Такие коллекторы, с одной стороны, недороги и производятся массово из-за относительно легкой технологии чернения и простоты манипуляций с медью, а с другой стороны, из-за высокой теплопроводности меди позволяют передать теплоносителю почти всю собранную энергию. Незначительно уступая в КПДвакуумным, медные принципиально отличаются ценой, разумеется, в лучшую для потребителя сторону.
Вопреки устоявшимся представлениям, чтобы определить возможность установки солнечных коллекторов для систем горячего водоснабжения и отопления, требуется знание не только географической широты расположения объекта, но и метеоданных о сезонной и годовой интенсивности солнечного излучения с учетом фактора перекрытия солнечного потока метеоявлениями (облачностью). Современные гелиосистемы на основе медных пластин доказывают свою эффективность и на широте Москвы, и в Оймяконе (полюс холода Северного полушария). Вообще, старые догмы применительно к солнечным системам больше не применимы: например, в России солнечные коллекторы различной конструкции с успехом применяются в Бурятии (см. фото 1, 2) — регионе, ранее не считавшемся благоприятным для этого.
В связи с тем, что высокоэффективные доступные солнечные коллекторы изготавливаются из меди, крайне рекомендуется исполнение первого высокотемпературного контура из медных сантехнических труб с соединением высокотемпературной (твердой) пайкой. Длительные сроки службы медных труб в системах отопления (свыше 100 лет), безразличие к хлору и неконтрафактным антифризам значительно повышают устойчивость всей системы. На практике рачительные домовладельцы в Германии, Австрии, Венгрии и других странах выполняют из медных труб всю систему отопления и ГВС — так надежнее.
С учетом дефицита и роста стоимости газа, по мнению российского Центра меди, нет причин не использовать солнечную энергию для горячего водоснабжения в качестве основного источника в ЖКХ в центральных и южных районах Украины, в т. ч. ЮБК, различных регионах Казахстана, южных регионах и регионах с континентальным и резко континентальным климатом России. Применение солнечных коллекторов в качестве основного источника для отопления в зимний период в Центральной России сдерживается малой продолжительностью светового дня, менее благоприятными погодными условиями, но в этих условияхгелиосистема обеспечивает значительную экономию в части потребления классических видов топлива, существенно дополняя баланс энергопотребления «бесплатными» джоулями. А вот в Казахстане с его 75 солнечными днями из 90 зимних и ряде районов Украины, регионах России с резко континентальным климатом солнечные системы могут выполнять роль и основного источника энергии для отопления жилья и административных зданий даже в зимний период. При условии, что они будут правильно спроектированы и обладать высоким КПД.
Как устроены современные гелиосистемы?
Основным элементом системы является коллектор. Основным элементом современного доступного гелиоколлектора с высоким КПД является пластина из чистой меди, черненая с одной стороны по специальной технологии. На самом деле это чернение при рассмотрении «на глаз» может иметь синеватый отлив, но способность поглощать требуемый спектр солнечного излучения у такой поверхности многократно выше, чем при покрытии пластины самой черной из всех возможных красок или пигментов. Кроме того, черненая поверхность обязательно должна быть матовой.
С обратной стороны к пластине прикреплены медные трубки, через которые проходит теплоноситель — вода или антифриз. Чем больше площадь соприкосновения трубок с поверхностью пластины, тем полнее осуществляется передача теплоносителю энергии, собранной пластиной. Этот вопрос может решаться производителями по-разному: либо медные трубки имеют прямоугольное сечение (широкая сторона соприкасается с пластиной), либо для укладки трубок на медной пластине штампуются специальные канавки, в которые укладываются медные трубки. Еще необходимо обеспечить безусловное соприкосновение и надежность всей площади контакта пластины и трубок, для чего они соединяются, как правило, сваркой или высокотемпературной пайкой (около 600 0С). Применение низкотемпературной пайки (около 200 0С) здесь неприемлемо, поскольку температура теплоносителя в гелиоколлекторе может достигать 300 0С. Эта же причина исключает возможность применения полимерных компонентов в системе.
Остальная часть коллектора состоит из корпуса и защитного стеклянного покрытия, обеспечивающего максимальную степень прохождения соответствующих спектров солнечного излучения и кроме того снижает обратное пропускание отраженной части солнечного излучения обратно (даже черненая матовая поверхность медной пластины отражает некоторую часть теплового потока).
Поскольку теплоноситель имеет очень высокую температуру, его нельзя напрямую подавать в батареи отопления или в кран горячей воды. Такой теплоноситель подается в теплообменник, который, как правило, одновременно выполняет роль аккумулятора тепла. В теплообменнике-накопителе уже нагревается пользовательская вода или теплоноситель — до тех значений температуры, которые приемлемы в водоснабжении и отоплении. В том же накопителе могут находиться устройства резервного нагрева, например, электрические нагревательные элементы. Хотя оптимальное значение комбинированного накопителя-теплооменника находится специальным расчетом, важно помнить сам принцип: в темное время суток или в период неблагоприятных метеоусловий солнечный коллектор не может собрать тепло, по определению. Поэтому в этот период пользуются тем самым избыточным теплом, которое собрано в течение светового дня и сохранено в накопителе. Из-за этого на объеме накопителя экономить не стоит. А в случае, если непогода продержится долго и расход, например, горячей воды резко возрастет, то на помощь придут резервные (аварийные) нагревательные элементы различного типа.
Существует много разных способов оптимального устройства ГВС и отопления как при интегрировании гелиоколлектора в существующую систему, так и при проектировании системы для гелиоколлектора «с нуля». В целом ничего принципиально нового для специалистов тут нет. Исходя из практики, с учетом малых диаметров и, возможно, сложной конфигурации трубопроводов, а также с учетом совместимости материалов идеальной комбинацией было бы соединение медных трубок коллектора с медными трубами. Медь давно испытана в качестве трубопровода для теплоносителя и ГВС во всем мире, причем не только в ЖКХ, но и в большой энергетике, судостроении, и является предпочтительным материалом для транспортировки горячих сред — воды и пара. Более того, в тех странах, где ответственность строителя за надежность и безопасность технических решений существует не на словах, медные трубы являются предпочитаемым материалом для сантехнических инженерных систем: в США, Великобритании, Гонконге, Германии и т. д. Скажем, в небоскребах Гонконга для водоснабжения вообще ничего, кроме меди и высокопрочного чугуна, не применяется, а сталь вообще запрещена аж с 1995 г.пример с небоскребами весьма показателен, поскольку для высотного строительства нормативы разных стран требуют инженерных решений с повышенной надежностью и продленными сроками службы. Этот пример служит веским доказательством надежности медных систем.
| Автор: В. С. Ионов Дата: 19.04.2006 Журнал Стройпрофиль 2-1-06 Рубрика: экология Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |