Теоретическое обоснование расчетов

Количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность Земли, сильно зависит от широты местности. Отношение среднемесячных приходов солнечной радиации в июне и декабре с увеличением широты возрастает, и на широте 50^о с.ш. оно приблизительно равно 13. Еще в большей степени различается поступление солнечной энергии в самый хороший и самый плохой дни года, при этом отношение Е_макс и Е_мин может достигать 50. Эти данные свидетельствуют о большом изменении в течение года количества поступающей солнечной энергии, а следовательно, и о подробном изменении теплопроизводительности гелиосистемы.

Для расчета располагаемого количества солнечной энергии, поступающего на наклонную лучепоглощающую поверхность, необходимо знать углы падения солнечных лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте. На количество солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность коллектора, оказывает влияние ориентация коллектора относительно южного направления, характеризуемая углом между нормалью к плоскости КСЭ и южным направлением - азимутом коллектора.

Среднемесячное дневное поступление солнечной энергии на наклонную поверхность солнечного коллектора можно рассчитать по формуле:

E_k =R·E, (1)

где E – среднемесячное дневное суммарное количество энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, МДж/(м²*день);

R – коэффициент пересчета суммарного потока солнечной энергии с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность. Значение этого коэффициента для широты г. Киева (φ = 50˚ с.ш.) для различных значений угла наклона коллектора к горизонту приведена в табл.1.

Среднемесячное дневное поступление суммарной Е и рассеянной (в пасмурные дни) Е_р солнечной энергии в МДж/м² и среднемесячная температура наружного воздуха t_n для г.Киева приведено в табл. 2. Для других городов аналогичные сведения можно найти в «Справочнике по климату СССР» (Л.: Гидрометеоиздат, 1966).

Таблица 1. Среднемесячный коэффициент R суммарного потока солнечной энергии с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность солнечного коллектора (φ=50˚ с.ш.)

Месяц	Угол наклона коллектора к горизонту β
30о	45о	60о	90о
Январь	1,3	1,37	1,37	1,18
Февраль	1,35	1,43	1,44	1,23
Март	1,24	1,27	1,23	0,98
Апрель	1,10	1,07	0,99	0,69
Май	1,02	0,95	0,84	0,53
Июнь	0,98	0,90	0,78	0,47
Июль	0,99	0,92	0,81	0,49
Август	1,07	1,02	0,93	0,62
Сентябрь	1,20	1,21	1,15	0,88
Октябрь	1,34	1,41	1,40	1,18
Ноябрь	1,32	1,40	1,40	1,21
Декабрь	1,41	1,52	1,56	1,39
Среднегодовое значение	1,11	1,09	1,01	0,72

Таблица 2. Дневное поступление суммарной Е и рассеянной Е_р солнечной радиации (МДж/м²) и средняя температура наружного воздуха t_n (˚C) по месяцам в г. Киеве (φ=50˚с.ш.)

показатель	Месяц
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Е	3,1	5,36	9,72	13,9	18,76	21,82	20,52	17,28	12,65	7,29	2,92	2,16
Ер	2,29	3,43	5,53	7,51	9,18	10,00	9,45	7,69	5,84	3,91	2,08	1,62
tn	-6,1	-5,6	-0,7	7,2	14,3	17,6	18,8	17,7	13,7	7,2	1,00	-3,7

С учетом данных таблиц 1 и 2 легко рассчитать среднемесячное значение солнечной радиации Е_к (МДж/(м²*мес.)), воспринимаемой солнечным коллектором площадью 1 м², расположенным под близким к оптимальному значению углом β₂ =45^о к горизонту в г. Киеве (табл. 3.)

Суммируя ежемесячное поступление энергии, получаем годовую солнечную энергию, воспринимаемую коллектором (β =45^о) площадью 1 м²: Е_к = 4447,6 МДж/м², что эквивалентно 1235,4 кВт*ч. При этом в зимний период времени (с октября по март) поступление энергии составляет 1272 МДж/м², т.е. 28,6% суммарного годового поступления. Таким образом, благодаря наклону солнечного коллектора к горизонту под углом β=φ, коллектор в зимний период времени может воспринять солнечную энергию в количестве, равном примерно 40% поступлений энергии в летнее время.

Основной вывод, который можем сделать из рассмотренных данных, состоит в том, что поступление солнечной энергии нестабильно во времени, ее максимальное поступление приходится на летнее время, когда потребность в тепловой энергии минимальна. Поэтому в настоящее время использование солнечной энергии наиболее целесообразно и экономически выгодно при создании систем горячего водоснабжения и в близких к ним по техническому решению установках подогрева воды (например, в плавательных бассейнах). Это объясняется тем, что тепловая нагрузка систем горячего водоснабжения в жилых зданиях сравнительно стабильна в различные месяцы года.

Поэтому солнечные системы для систем горячего водоснабжения имеют достаточно высокую эффективность и хорошую окупаемость.

Что касается использования солнечной энергии для отопления здания, то эффективность гелиосистем снижается за счет меньшего времени использования в течение года (только в зимний период), из-за уменьшения солнечной инсоляции в зимние месяцы и, следовательно, из-за обусловленной этим обстоятельством необходимости увеличения площади солнечных коллекторов. Кроме того, системы горячего водоснабжения – наиболее удобный потребитель солнечной энергии, поскольку температура воды в системе не слишком высокая и в летнее время отличается от температуры наружного воздуха не более чем на 30–40˚С. Именно это обстоятельство позволяет создать простую по конструкции гелиоустановку с достаточно высоким значением КПД солнечного коллектора.

Таблица 3. Среднемесячная величина солнечной радиации Е_к МДж/(м² ·мес.) по месяцам

показатель

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Ек

ЖЖЖЖЖ

При этом средний расход теплоты на горячее водоснабжение при децентрализованном теплоснабжении здания за расчетный период можно определить по формуле:

Q_г.в.=1,2·a·С_р·ρ(t_г.в. – t_х.в.) N·n, (2)

где а – норма расхода воды на горячее водоснабжение жилых зданий на одного человека в сутки, л/сут*чел);

С_р – удельная изобарная теплоемкость воды, С_р = 4190 Дж/кг*^оС.

ρ – плотность воды, кг/л (ρ=1).

t_г.в. – температура горячей воды (принимается равной 65^оС).

t_х.в. – температура холодной() воды, обычно принимаемая 15^оС летом и 5^оС зимой.

N – число жителей.

n – число дней в расчетном периоде.

Для практических расчетов расхода энергии на горячее водоснабжение удобно пользоваться номограммой, приведенной на рис. 1.

Рис.1. Номограмма для определения расхода теплоты и воды на горячее водоснабжение жилых зданий[2].

На номограмме приведен пример определения среднего расхода теплоты и количества горячей воды для числа жителей N – 7 чел, при норме потребления горячей воды а = 80 л/(сут*чел) и разности температур 60^оС. Величина годового потребления энергии на горячее водоснабжение составляет 57 ГДж/год, а расход воды 440 м³/год.

Основываясь на опыте проектирования, сооружения и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения в условиях различных регионов Украины, в [1] приводится оценка удельной экономии топлива Э_топ или электрической энергии Э_эл, отнесенной к 1 м² площади солнечного коллектора, установленного под углом 30⁰ к горизонту (табл. 4.)

Таблица 4. Значения величин удельной экономии топлива Э_топ и электрической энергии, отнесенной к 1 м² площади солнечного коллектора (β=30^о)

Город	Этоп, кг у.т./(м2*год)	Ээл кВт*ч/(м2*год)
Симферополь
Одесса
Донецк
Киев
Сумы
Львов

Для практических расчетов площади КСЭ и объема бака–аккумулятора удобно пользоваться номограммой, приведенной на рис2. [2]

ё

2.3 Расчет эколого –экономической эффективности использования систем солнечного горячего водоснабжения(ССГВС)

Для расчетов потребовались следующие исходные данные:

· Годовая выработка теплоты, ГДж;

· Емкость бака–аккумулятора, м³;

· Температура горячей воды в баке–аккумуляторе, 45°С;

· Площадь поверхности солнечных коллекторов, м²;

· Виды вытесняемого энергоносителя – печное топливо;

· Дублер – котельная (котлы ДКВР 2,5/13);

· Сметная стоимость системы ССГВС – 33333,3 грн;

· 8,1758 – индекс пересчета цен 1986 года на современные.

Экономический эффект от использования ССГВС рассчитывают путем сопоставления приведенных затрат на солнечную установку и базовый источник:

∆Зссгвс = ∆Зэ + ∆Зос + ∆Зс - ∆Зг, (3)

где ∆Зссгвс – экономический эффект от использования ССГВС, грн/год;

∆Зэ – эффект от экономии расходов на производство тепловой энергии котельной комбината, грн/год;

∆Зос – эффект от снижения загрязнения окружающей среды при использовании ССГВС, грн/год;

∆Зс – социальный эффект применения солнечной установки, грн/год;

∆Зг – дополнительные капиталовложения в ССГВС, грн/год.

Эффект от экономии расходв на производство тепловой энергии определяется по формуле:

∆Зэ = Qcу х Ст, (4)

где Qcу – годовой объем тепловой энергии, покрываемый ССГВС, ГДж;

Ст – стоимость вырабатываемой тепловой энергии котельной грн/ГДж (при отсутствии данных принимается 122,41 грн/ГДж в соответствии с «Тарифами на тепловую эенргию и услуги теплоснабжения», введенными с 1.03.06 г. АП «Крымтеплокоммунэнерго»).

Экономический эффект от предотвращения загрязнения окружающей среды заключается в снижении выбросов в атмосферу вредных веществ на каждую тонну сжигаемого печного топлива. Согласно методике, при сгорании 1 т у.т. в атмосферу выбрасывается: СО – 0,009 т, N_ox - 0,003 т, SO₂ – 0,027 т. Экономический эффект от снижения выбросов в атмосферу одной тонны вредных веществ с учетом индекса пересчета цен на 01.03.2006 года составляет: СО – 588,66 грн/т, N_ox – 24200,96 грн/т, SO₂ –31886,40 грн/т.

Количество сэкономленного топлива ССГВС за год определяется по формуле:

В = 0,034 х Qcη, (5)

где η – среднегодовой эксплуатационный коэффициент полезного использования топлива, учитывающий базовый эксплуатационный полезного действия котла (ησ), потери при транспортировании (η_тр) и хранении топлива (η_хр):

η = η_б η_тр η_хр = 0,6*0,96*0,96 = 0,553 (согласно методике [2]) (6)

Таким образом, количество сэкономленного топлива в течении года составляет 4,619 т у.т., а количество вредных выбросов в атмосферу за счет применения солнечной установки уменьшится для СО на 0,042 т, NОx на 0,014 т, SO₂ на 0,125 т.

Тем самым, годовой эффект от снижения выбросов в атмосферу составит:

ΔЗос = 0,042*588,66+0,014*24200,96+0,125*1886,40=4349,33 грн. (5)

Социальный эффект применения ССГВС. Эффект выражается в экономии затрат труда при самообслуживании ССГВС, который определяется как:

ΔЗс = ΔЗ*хF,……………………..(6)

где ΔЗс* – удельная величина социального эффекта, с учетом коэффициента пересчета она составляет 24,53 грн/м²;

F – площадь поверхности солнечной установки, м².

Дополнительные капиталовложения определяем следующим образом:

ΔЗг = Ен*хК*хF+ ΔЗз,……………(7)

Где Ен* - коэффициент, учитывающий норму капиталовложений и отчислений на амортизацию в долях от капитальных вложений для ССГВС. Согласно используемой методике данный коэффициент составляет 0,18 [7];

К* - удельные капиталовложения в ССГВС равные 1111,11 грн/м²;

ΔЗз – дополнительные затраты на мойку стекол солнечных коллекторов. По аналогии с затратами на протирку окон промышленных предприятий (по данным ЦНИИ промзданий) можно принимать с учетом коэффициента пересчета в размере 20,44 грн. за 10 м² поверхности солнечных коллекторов.

Срок окупаемости солнечной установки горячего водоснабжения рассчитывается по формуле:

Т=К/Зссгвс. ………………………….(8)

Литература

1. Украина.Энергосбережение в зданиях,-КиевИзд.энергет.Центра Европ,Союза в Киеве,1995г.

2. Харченко Н.В.Индивидуальные солнечные установки.,М,энергоатомиздат,1991г...

3. Коваленко П.А., Коваленко К.П. Экология и ресурсосберегающие технологии. Киев. УМК ВО. 1991

4. Н.М.МхатарянЭнергосберегающие технологии в жилищном и гражданском строительстве,Киев,НауковаДумка,2000г

5..М.П.КоваленкоЭнергосбережение-приоритетное направление государственной политики Украины,киев1998год