Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Инженерные и экономические аспекты эксплуатации комбинированной солнечно-газовой установки как инновационное решение по уменьшению энергоемкости систем теплогазоснабжения

А. Я. Шарипов, генеральный директор ООО «СанТехПроект»

М. А. Шарипов, инженер ООО «СанТехПроект»

Д. И. Скворцов, инженер ООО «СанТехПроект»

 В статье рассматриваются результаты исследований о возможности использования комбинированного солнечно-газового источника тепла (КСГИТ) для различных типов зданий и сооружений с учетом особенностей южного региона Российской Федерации.

Совместное использование источника тепла, использующего для функционирования природный газ, и источника, работающего на нетрадиционном топливе, значительно снижает потребление невозобновляемого природного ресурса  и, как показали расчеты, является экономически более выгодным по сравнению с другими способами теплоснабжения зданий.

Ключевые слова

Генерация солнечной энергии, гелиоколлекторное поле, комбинированный источник тепла, солнечно-газовая установка, гарантирующий источник тепла, экология, тепло-гидравлическая схема, тариф, газ, стоимость, затраты, энергоэффективность.

Введение

Настоящая статья основана на аналитическом комплексном исследовании использования солнечных коллекторов и крышных газовых котельных с дальнейшей структуризацией их совместной эксплуатации для генерации тепловой энергии как с технической точки зрения, так и с учетом экономических аспектов в южном регионе России.

Актуальность работы заключается в том, что в настоящее время повсеместно происходит развитие солнечной энергетики. Это связано, в первую очередь, с экологичностью данного вида энергии. Также актуальность работы заключается в ресурсоемкости солнечной энергии по сравнению с традиционным топливом. Еще одной причиной повышения потенциала использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является подорожание традиционного топлива и одновременное снижение стоимости производства оборудования для использования ВИЭ. Как показывают долгосрочные прогнозы, в будущем эта тенденция сохранится.

Объектами исследования являлись:

— оборудование для теплоснабжения зданий, соответствующее современным требованиям по проектированию, размещению и эксплуатации, а именно крышные котельные, работающие на газовом топливе, и солнечные коллекторы, с целью определения рациональности их комплексного использования для покрытия потребности в тепле;

— комбинированное использование крышной газовой котельной с солнечными коллекторами для разработки рекомендаций по размещению такой системы на крышах различных видов зданий в соответствии с требованиями по энергоэффективности и энергосбережению.

Целями исследования являлись:

— описание метода определения тепловой нагрузки на отопление, вентиляцию и ГВС для различных типов зданий с учетом особенностей южного региона страны;

— описание требований, предъявляемых к комбинированным солнечно-газовым источникам тепла, и разработка тепло-гидравлических схем использования таких установок;

— описание разработанного метода определения затрат на использование комбинированных источников тепла;

— описание технико-экономического эффекта использования комбинированных систем.

Результаты и методики, описанные в статье, имеют качественное значение в совокупности с конкретными количественными показателями и могут являться основным исходным материалом для разработки методических указаний по использованию КСГИТ на практике.

Рис. 1. Солнечная радиация на территории России (кВт∙ч/м2)

В России огромное количество изолированных от общей сети территорий с высоким уровнем солнечного излучения (инсоляции), где развитие солнечной энергетики весьма эффективно. На рис. 1 представлена карта инсоляции российских регионов. Высокий уровень излучения на территории юга страны способствует эффективному внедрению солнечных установок для теплоснабжения зданий.

Переход к рыночной экономике в 90-е гг. начал диктовать необходимость принципиально новых решений по системам теплоснабжения, отвечающих современным требованиям мировой экономики. Используемая в настоящее время централизованная система (ЦСТ) не отвечает этим требованиям: в первую очередь в совместном использовании с ВИЭ, так как снижает получение доходов монопольной системы (ЦСТ). Это привело к тому, что появилась острая необходимость в автономных источниках теплоснабжения (АИТ), для которых характерна достаточно низкая стоимость, небольшая продолжительность монтажа и строительства, отсутствие необходимости отчуждения земли под строительство как самого источника, так и трасс трубопроводов, меньшая материалоемкость. Такие системы можно вводить в эксплуатацию с меньшими единовременными капитальными вложениями, при этом имеются большие возможности привлечения средств потребителя и частных инвестиций. В итоге собственник заинтересован как в экономии инвестиций, так и в снижении потребления энергоресурсов. Переход к АИТ обусловлен двумя основными причинами:

— Уплотнение застройки городских районов объектами жилья и соцкультбыта проводится без соответствующего наращивания мощностей источников тепловой энергии.

— Аварийное состояние тепловых сетей. Отсутствие инвестиций на замену трубопроводов. Тепловые сети работают не с расчетными параметрами. В результате потребители, расположенные на концевых участках, не могут получить необходимое количество тепла.

С помощью комбинации различных источников тепла реализовываются следующие задачи:

— уменьшение расхода газа и снижение вредных выбросов в атмосферу;

— повышение экологичности установки;

— снижение затрат на сырье за счет замещения доли газа бесплатной солнечной энергией.

Рис. 2. Динамика роста стоимости тепловой энергии и газа на юге России

На рис. 2 показана динамика изменения стоимости тепловой энергии на теплоснабжение зданий и стоимости газа для населения на юге страны. Сведения приведены усредненные ввиду большого количества теплоснабжающих организаций.

Тенденция повышения тарифов, по прогнозам работников сферы ЖКХ, будет прослеживаться и в дальнейшем. Очевидно, что эксплуатационные расходы на теплоснабжение за счет бесплатного солнечного излучения являются более низкими по сравнению с традиционными системами.

Возникает разумный вопрос: почему нельзя использовать только солнечные коллекторы для теплоснабжения зданий? Как показывает практика, солнечная энергия должна использоваться в сочетании с традиционной системой. При низком потоке солнечного света, к примеру, в зимний период, гелиосистема только вместе с гарантирующим источником, работающим на традиционном топливе, сможет обеспечить полный тепловой комфорт. Для наиболее эффективного и экономически выгодного использования гелиоустановки должны полностью покрывать потребность в энергии на ГВС только на протяжении неотопительного сезона.

Инженерные аспекты эксплуатации КСГИТ

В ходе исследования описывается методика по определению количества тепловой энергии, необходимой для ГВС в течение года, часть которой в неотопительный сезон покрывается за счет выработки гелиоколлекторного поля. С использованием количественных значений параметров здания, значений тепловой энергии и характеристик гелиоколлекторного поля решение двух задач:

1. Определение оптимального количества коллекторов для покрытия потребности на ГВС при заданной нагрузке.

2. Определение максимально возможного покрытия энергии на ГВС, то есть определение этажности здания при максимальном расположении коллекторов на эффективной площади крыши здания.

Рассмотрим пример решения этих двух задач с использование формул (1) – (4) при следующих параметрах:

— многоквартирный 5-этажный жилой дом с 5 подъездами в южном регионе страны;

— среднее количество людей, проживающих на одном этаже каждого подъезда и потребляющих горячую воду, М = 10;

— количество горячей воды, потребляемое 1 человеком в сутки, n = 85 л;

— разность температур холодной и нагретой воды, ∆t = 60 – 15 = 45 °С;

— повышающий коэффициент для III и IV климатических районов страны, α = 1,15;

— количество тепла, необходимое для нагрева 1 литра воды на 1 градус Цельсия, q = 1,163∙10^-3 кДж∙час;

— площадь 1 вакуумного коллектора, S = 3,6 м²;

— эффективная площадь крыши 1 подъезда для установки гелиоколлекторов, S_эфф рассчитывается по формуле (1):

                                                     S_эфф = 0,7∙S = 0,7∙(a∙b)/f,                                                          (1)

где: для 5-этажного дома постройки 50–60-х гг. a = 90 м, b = 12,5 м, f — количество подъездов в жилом доме, f = 5.

Дневная нагрузка на ГВС рассчитывается по формуле (2):

                                                             Q = M∙n∙∆t∙α∙q.                                                                  (2)

Ежемесячная выработка энергии гелиосистемой рассчитывается по формуле (3):

                                                          Q_{мес г.с.} = R∙N∙η∙ D.                                                              (3)

Ежемесячная нагрузка гарантирующего источника рассчитывается по формуле (4):

                                                       Q_{мес гар}=(Q — R∙N∙η)∙D,                                                            (4)

где: R — дневная производительность одного гелиоколлектора;

 N — количество гелиоколлекторов;

 η — КПД гелиоустановки;

 D — количество дней в месяце.

Для решения первой задачи рассмотрим пример установки вакуумных солнечных коллекторов. Максимальное количество, которое можно установить на крыше здания, определяется с использованием формулы (1) и составляет 43 штуки.

Рис. 3. Распределение вырабатываемой энергии при установке 20 вакуумных коллекторов

Рис. 4. Распределение вырабатываемой энергии при установке 34 вакуумных коллекторов

Для жителей 1 подъезда описываемого 5-этажного жилого дома необходимо 4250 л горячей воды в сутки. Рассмотрим рис. 3, на котором представлена диаграмма распределения выработки тепловой энергии гелиоколлекторным полем из 20 вакуумных коллекторов в течение года.

Как видно из рис. 3, 20 вакуумных коллекторов для выработки тепла на нагрев такого объема горячей воды недостаточно.

На рис. 4 показана диаграмма покрытия тепловой энергии на ГВС при установке 34 коллекторов.

Как видно из рис. 4, вырабатываемая гелиосистемой энергия полностью покрывает потребность на ГВС в течение всего неотопительного сезона.

Доля энергии гелиосистемы на ГВС от общегодовой потребности рассчитывается по формуле (5), и для разных видов коллекторов получен диапазон от 70 до 75%.

           (5)

Оставшаяся доля необходимой энергии покрывается за счет гарантирующего источника.

Рис. 5. Потребность в энергии на ГВС и вырабатываемая гелиосистемой энергия при максимально доступном расположении гелиоколлекторов для 6-этажного здания

Рассмотрим решение второй поставленной задачи: определение максимального количества потребителей горячей воды при максимальном использовании эффективной площади крыши здания.

На рис. 5 показана диаграмма распределения энергии от гелиополя при установке максимально возможного количества коллекторов (43 штуки) для 6-этажного здания.

Рис. 6. Потребность в энергии на ГВС и вырабатываемая гелиосистемой энергия при максимально доступном расположении гелиоколлекторов для 7-этажного здания

На рис. 6 представлена аналогичная диаграмма для 7-этажного жилого многоквартирного дома.

При сравнении рис. 5 и 6 видно, что в неотопительный сезон энергия, вырабатываемая максимальным количеством коллекторов, полностью покрывает потребность на ГВС только для 6 этажей. Таким образом, установка гелиосистемы из вакуумных коллекторов на здании выше 6 этажей нецелесообразна.

Рис. 7. Распределение энергии на ГВС, энергии от плоских коллекторов, энергии от вакуумных коллекторов в неотопительный сезон в зависимости от этажности здания

На рис. 7 показаны распределение энергии от гелиоустановок плоского и вакуумного типа, которые нашли наибольшее распространение в использовании с максимально возможным расположением коллекторов, и потребность в энергии на ГВС в неотопительный сезон в зависимости от этажности здания.

Таким образом, описанная в работе методика позволяет определить максимальную этажность здания, для которой будет целесообразна установка солнечного оборудования.

Рис. 8. Тепло-гидравлическая схема жилого многоквартирного дома с выработкой тепловой энергии за счет крышной газовой котельной и коллекторного поля

В ходе работы были разработаны тепло-гидравлические схемы работы КСГИТ для трех типов зданий. На рис. 8 показана такая схема для жилого многоквартирного дома.

Для использования комбинированных систем в ходе работы были разработаны рекомендации по их размещению с учетом особенностей различных типов зданий и специфики южного региона страны. Важную роль играет влияние сейсмической активности ввиду наличия гористой местности. Высокая среднегодовая температура, особенности почвы также вносят свой вклад при решении установки КСГИТ. Ввиду того, что регион является рекреационным центром страны, значительную часть построек составляют санатории, пансионаты, гостиницы, отели, развлекательные центры. Проведение крупномасштабных мероприятий (таких как Олимпийские игры в 2014 году) вносит вклад при выборе постройки того или иного вида здания. Наряду с многоэтажными жилыми домами существует огромное количество малоэтажных домов частного сектора. Также необходимо учитывать и другие детали: плотность застройки, формы и размеры близко расположенных зданий, например, одно здание может затенять другое, архитектура самого здания.

Экономические аспекты эксплуатации КСГИТ

Вопрос экономического обоснования подключения системы теплоснабжения дома к АИТ во многом определяется величиной капитальных затрат, а также затрат, возникающих при эксплуатации. При теплоснабжении от АИТ у потребителя появляется возможность в регулировании количества потребляемого тепла при эксплуатации. В то же время при этом возникает ряд затрат на обслуживание и работу котельной и, в случае с КСГИТ, на обслуживание и работу солнечных коллекторов. На экономические показатели вариантов теплоснабжения зданий влияет динамика тарифов на тепловую энергию и на газовое топливо. Расчетная нагрузка на отопление, вентиляцию и ГВС определяет выбор оборудования котельной, что влияет на величину капитальных затрат.

В ходе исследования было рассмотрено теплоснабжение различных типов зданий (жилой многоквартирный дом, средняя гостиница и торговый центр) разными способами (ЦСТ, крышная газовая котельная, КСГИТ) и был показан экономический эффект от использования комбинированной системы. Сравним затраты на примере теплоснабжения многоквартирного жилого дома для трех способов с применением следующих величин:

— Количество тепловой энергии

на отопление, Q^ОТОП = 0,33 Гкал/час

на горячее водоснабжение, Q^ГВС = 0,170 Гкал/час

— Тариф за 1 Гкал тепловой энергии при централизованном теплоснабжении

Т^ЦСТ = 1816,58 руб. (тариф одинаковый на отопление, вентиляцию и ГВС)

— Цена 1 тыс. м³ газа

С^ГАЗ = 5828,76 руб.

— Продолжительность неотопительного периода, Z_л = 182 сут.

Суммарные затраты на отопление, вентиляцию и ГВС при использовании различных способов теплоснабжения показаны в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение затрат на тепловую энергию при использовании различных систем теплоснабжения в течение года

Учет стоимости оборудования при использовании автономного источника происходит за счет включения в тариф амортизационных отчислений для возмещения износа оборудования. Помимо этого, при приобретении котельной накладывается налог на имущество, что вносит вклад в общие затраты. Эти расходы напрямую зависят от стоимости основных фондов и приняты в работе по 2% на каждую статью. Ориентировочная стоимость оборудования указана в таблице 2.

Таблица 2. Затраты при использовании АИТ в течение года

При анализе таблицы 2 видно, что затраты на теплоснабжение при использовании КСГИТ ниже, чем при поставке тепла с использованием ЦСТ и крышной газовой котельной. Соотношение затрат при использовании трех способов теплоснабжения показано в таблице 3.

Таблица 3. Выгода при использовании КСГИТ

Очевидно, что для каждого типа здания выгоднее использование КСГИТ. К примеру, выгода по сравнению с ЦСТ для жилого многоквартирного дома составляет 71%.

Одним из обобщающих экономических показателей, характеризующих качественный уровень работы КСГИТ, является себестоимость отпускаемой теплоты. Этот показатель в той или иной мере отражает техническую вооруженность оборудования, степень механизации и автоматизации производственных процессов, расходование материальных ресурсов и др.

Для расчета себестоимости отпускаемой теплоты были определены годовые эксплуатационные расходы и количество потребляемой тепловой энергии. Принимаем, что прибыль составляет 10% от суммарных затрат. Стоимость отпускаемой тепловой энергии за 1 Гкал представлена в таблице 4.

Таблица 4. Стоимость тепловой энергии при использовании КСГИТ

Как видно из таблицы 4, для каждого из трех рассматриваемых типов зданий наиболее выгодным является использование КСГИТ по сравнению с другими способами теплоснабжения.

Энергоэффективность зданий при использовании КСГИТ

Возможность использования КСГИТ является важной задачей для проектного сообщества при выполнении требований Закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Одним из способов повышения энергоэффективности здания является снижение потребления тепловой энергии. В случае теплоснабжения здания за счет традиционной системы снижение отпускаемого количества тепла для потребителей приведет к снижению прибыли для производителей. Вероятнее всего, такие действия повлекут за собой повышению тарифов на тепловую энергию, которые подконтрольны производителям тепла и никак не могут регулироваться потребителями. При использовании КСГИТ такие меры предприняты быть не могут.

Несколько лет назад введен в действие первый национальный российский стандарт СТО НОСТРОЙ (2.35.4–2011) «Зеленое строительство. Здания жилые и общественные. Рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания». С появлением этого стандарта архитекторы, проектировщики, строители получили инструмент, позволяющий реализовывать экологические проекты, поскольку данный документ определяет четкие количественные и качественные критерии для оценки зданий. В описываемом стандарте содержится рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания, которая представляет собой совокупность количественных и качественных критериев для оценки зданий как среды обитания человека, характеризующих уровень комфортности, энергоэффективности, экологичности и защиты окружающей среды в соответствии с принципами устойчивого развития.

Приведенные в стандарте критерии сгруппированы в 10 категорий, весомость которых указана в таблице 5.

Таблица 5. Категории оценки устойчивости среды обитания

Особое внимание в системе рейтинговой оценки уделено экономии энергетических ресурсов. Категория «Качество архитектуры и планировки объекта» содержит критерий «Обеспеченность здания естественным освещением», который оценивает процент превышения нормативного коэффициента естественной освещенности в помещениях здания. В этой же категории содержится критерий «Оптимальность формы и ориентации здания», позволяющий оценить степень учета теплоэнергетического воздействия наружного климата на оболочку здания.

Категория «Комфорт и экология внутренней среды» включает критерий «Контроль и управление системами инженерного обеспечения здания». Оценивается наличие центральной системы управления зданием с возможностью индивидуального (зонального) регулирования и наличие локальных систем автоматизации систем инженерного обеспечения здания, что также способствует снижению энергопотребления.

Из таблицы 5 следует, что наиболее весомой категорией оценки устойчивости среды обитания является «Энергосбережение и энергоэффективность». Данная категория включает критерии оценки энергопотребления инженерными системами здания в отдельности и суммарный расход первичной энергии.

Такой подход позволяет провести полный анализ энергопотребления здания, что соответствует Постановлению Правительства № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».

Кроме того, в Стандарте зеленого строительства отдельно выделена категория «Применение альтернативной и возобновляемой энергии», которая оценивает долю такой энергии в годовом энергобалансе объекта. В совокупности требования рейтинговой системы направлены на сокращение потребления невозобновляемых ресурсов, снижение вредных воздействий на окружающую среду в процессе строительства и эксплуатации здания.

Принимая во внимание вышеописанные положения и рекомендации по энергоэффективности, а также учитывая количественные показатели генерируемого и потребляемого тепла при установке КСГИТ и экономический эффект такого теплоснабжения, можно сделать выводы о том, что использование крышной газовой котельной в совокупности с гелиооборудованием способствует повышению энергоэффективности здания.

Заключение

Научная работа, которой посвящена данная статья, представляет законченное исследование с изложением рекомендаций по размещению и эксплуатации КСГИТ для различных типов зданий с учетом особенностей региона, в котором предполагается их использование. Также представлено технико-экономическое обоснование использования таких установок в сравнении с другими способами теплоснабжения зданий.

Представлено подробное описание затрат при использовании КСГИТ и, как следствие, стоимость отпускаемой тепловой энергии.

Разработаны и описаны рекомендации по совершенствованию систем теплоснабжения для соответствия требованиям по повышению энергоэффективности и обеспечению энергосбережения зданий.

Итогом научно-исследовательской работы является сравнительная оценка стоимости генерируемой тепловой энергии различными способами, а также ее выгода в сравнении с другими способами теплоснабжения, что является одной из задач настоящей работы.

Полученные результаты являются основой для разработки методических указаний по использованию комбинированных солнечно-газовых источников тепла в южных регионах страны. Написанная работа является актуальной и перспективной ввиду того, что в настоящее время еще слабо развито использование нетрадиционных и альтернативных источников теплоснабжения в комбинированном виде.

Скачать статью в pdf-формате: Инженерные и экономические аспекты эксплуатации комбинированной солнечно-газовой установки как инновационное решение по уменьшению энергоемкости систем теплогазоснабжения