Д.т.н. В.А. Бутузов, генеральный директор, ОАО «Южгеотепло»,
д.э.н. В.Х. Шетов,
директор, ГУ «Центр энергосбережения и новых технологий», г. Краснодар
Альтернативная энергетика на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) развивается стремительными темпами. В настоящее время в энергобалансе Евросоюза ВИЭ составляют 7%, а к 2020 г. их доля должна возрасти до 20%. Из всех ВИЭ в наибольших масштабах используется солнечная энергия. Общая площадь солнечных водонагревательных установок в мире превышает 120 млн м2, большая часть из которых построена в Китае (60%) и в Европе (14%) (рис. 1). В Европе лидирующие позиции в гелиоэнергетике занимает Германия — 40% (рис. 2).
В России до настоящего времени по ряду причин гелиоустановки не получили широкого применения. Эксплуатируется не более 15 тыс. м2 гелиоустановок, что на порядок меньше, чем было в Советском Союзе в 1990 г. (150 тыс. м2). Развитие гелиоэнергетики в России характеризуется отсутствием государственного управления и стимулирования. В 1995 г. Министерством топлива и энергетики утверждена концепция развития малой и нетрадиционной энергетики [1], в т.ч. и гелиоэнергетики. Данная концепция оказалась невостребованной на федеральном и региональном уровнях. Известен также проект Российской программы развития возобновляемой энергетики.
Перспективы государственной поддержки гелиоэнергетики связаны с проектом федеральной программы по энергосбережению и уже реализуемой в России программой Евросоюза (ТАСИС) по использованию ВИЭ.
количество сооружаемых в России гелиоустановок объясняется также экономическими причинами. Низкая стоимость органического топлива (в 2,5 раза ниже, чем в странах Евросоюза) и высокая стоимость материалов (сопоставимая с европейской) приводит к высоким срокам окупаемости гелиоустановок (более 7 лет) [2]. Однако, принятые правительством России темпы повышения стоимости природного газа и электрической энергии (затри года почти вдвое) неминуемо приведут к повышению конкурентоспособности гелиоустановок. Поэтому столь важно при проектировании новых объектов предусматривать применение перспективных технологий, в т.ч. солнечного теплоснабжения.
Гелиоустановки в России строятся в основном в двух регионах: в Краснодарском крае и в Республике Бурятия. В Краснодарском крае построено 102 гелиоустановки общей площадью около 5 тыс. м2 (рис. 3). На рис. 4 представлена гелиоустановка площадью 260 м2, построенная в 1989 г. в Краснодаре и эксплуатируемая до настоящего времени. В Бурятии сооружено 70 установок общей площадью 3000 м2. При этом в Краснодарском крае принят закон об использовании ВИЭ, программа развития гелиоэнергетики, определены источники финансирования, организована подготовка специалистов, создана структура по внедрению гелиоустановок, разработана база данных по солнечной радиации.
В основе проектирования гелиоустановок -достоверные знания солнечной радиации. На основании обработки 15-летних наблюдений метеостанций региона, сопоставления со справочными данными и спутниковыми наблюдениями для всех городов края, в т.ч. г. Сочи (географическая широта — 45О), получены достоверные значения интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность. На рис. 5 приведены годовые значения суммарной солнечной радиации Краснодарского края.
При проектировании олимпийских объектов в г. Сочи актуально использование ВИЭ, и, в первую очередь, солнечной энергии. Годовое значение суммарной радиации в г. Сочи составляет 1400 кВт.ч на 1 м2 горизонтальной поверхности. При этом минимальное значение солнечной радиации в декабре — 36 кВт.ч/м2 [3].
Анализ мирового опыта строительства олимпийских объектов показал, что близкие климатические условия характерны для г. Пекина (Китай), имеющего географическую широту – 40 О. Здесь в 2008 г. завершено строительство олимпийской деревни с использованием гелиоустановок горячего водоснабжения (рис. 6). Жилой массив из 42-х зданий общей площадью 500 тыс. м2 рассчитан на проживание 18 тыс. спортсменов. На плоских кровлях 18-ти зданий смонтированы гелиоустановки общей площадью 7,5 тыс. м2 с вакуумными солнечными коллекторами. КПД таких коллекторов на 15% выше, чем плоских коллекторов. Особенности конструкции вакуумных коллекторов позволяют размещать их при различной азимутальной ориентации и под разными углами к горизонту. Температура теплоносителя на выходе из таких коллекторов — до 150 ОС.
На пекинских олимпийских объектах вакуумные коллекторы смонтированы горизонтально (рис. 7). Под некоторыми из них размещены рестораны, площадки отдыха и т.п. Олимпийский комплекс имеет три ЦТП, в которых интегрировано оборудование гелиоустановок отдельных зданий. Автоматизированная система управления теплоснабжением позволяет оптимальным образом использовать гелиоустановки. На рис. 8 приведена принципиальная схема гелиоустановки одного из зданий. Для 10-этажных зданий система горячего водоснабжения выполнена двухзонной (с первого по пятый и с пятого по десятый этажи). Соответственно схемы гелиоустановок также выполнены двухзонными. Вакуумные коллекторы 1 отдельных гелиоустановок площадью от 485 до 615 м2 имеют замкнутый контур, который через теплообменник 2 подключен к чиллеру аварийного расхолаживания 3. Нагретый теплоноситель аккумулируется в баках 5 вместительностью от 30 до 45 м3. Включение в схему бака горячей воды 7 объясняется двухзонными системами горячего водоснабжения и необходимостью догрева рециркуляционной воды.
Расчетная тепловая мощность гелиоустановок пекинской Олимпийской деревни — 3 МВт, годовое замещение органического топлива -325 т у.т., сокращение выбросов СО2-65 т в год.
Проект реализован с участием итальянских (производство солнечных коллекторов, строительство гелиоустановок) и немецких (разработка проектной документации) фирм.
В настоящее время российскими специалистами анализируется опыт ведущих в развитии гелиотехники зарубежных стран: технические и стоимостные показатели солнечных коллекторов, проектные решения, эксплутационные характеристики установок, который будет в последствии учитываться при реализации отечественных проектов.
Литература
1. Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе Росси. Министерство топлива и энергетики РФ. М.: 1994.
2. Бутузов В.А., Шетов В.Х. Гелиоэнергетические установки в России // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 4.
3. Бутузов В. А. Расчеты интенсивности солнечной радиации для проектирования систем солнечного горячего водоснабжения // Промышленная энергетика. 2003. № 9.
4. Шетов В.Х., Бутузов В.А. Перспективы солнечного теплоснабжения // Энергосбережение. 2006. № 7.