Введение

Активное внедрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в теплоснабжение жилых зданий направлено на снижение потребления традиционных ресурсов и уменьшение экологической нагрузки. Доля энергии, получаемой из углеводородного топлива, по-прежнему высока (более 70 % тепла вырабатывается на угольных ТЭЦ и газовых котельных), что особенно ощутимо при значительных суточных и сезонных колебаниях потребления тепла. Одним из перспективных решений является интеграция солнечных тепловых коллекторов в систему отопления дома. Преимущество солнечной энергии — широчайший ресурс и экологическая чистота, однако ее извлечение требует учета переменного графика инсоляции (день/ночь, лето/зима). Казахстан, расположенный в зоне умеренно-континентального климата, характеризуется высоким годовым потенциалом солнечного излучения (1300–1800 кВт⋅ч/м² горизонтальной поверхности). В частности, в Алматы суммарная солнечная радиация достигает около 1450 кВт⋅ч/м² в год (табл. 1). Благодаря этому в южной части страны возможна установка солнечных коллекторов с относительно высокой эффективностью.

В условиях переменного теплового режима (суточные перепады потребления, холодные зимние месяцы) возникает задача оценки доли тепла, которую может покрыть гелиосистема. Важно рассчитать, насколько солнечной энергии достаточно для отопления и ГВС, а также какова дополнительная потребность в традиционном энергоносителе. Особое значение имеет наличие баков-аккумуляторов: они позволяют накопить избыток дневной солнечной тепловой энергии для использования ночью и в холодные периоды

Целью работы является: 1) анализ суточно-сезонного распределения тепловой нагрузки дома; 2) расчет генерации тепла солнечными коллекторами и определение коэффициента покрытия; 3) сравнение энергетической эффективности гибридной системы с традиционной схемой.

Методика расчета тепловой нагрузки здания

Для определения теплопотребления жилого дома была принята типовая конструкция с площадью отапливаемых помещений 120 м² (примерный объем ~360 м³). Расчет тепловой нагрузки производился помесячно с учетом средних климатических данных Алматы. Принята внутренняя температура +20 °C, а расчетные месячные температуры наружного воздуха взяты из метеорологической статистики: минимум января около −5 °C, максимум июля +26 °C. Расчетные теплопотери здания определяются по упрощенной формуле теплообмена через ограждающие конструкции с суммарным коэффициентом теплопередачи, подобранным под реальные условия (например, 0,4–0,5 Вт/(м²⋅К) для стен с утеплением). В примерном расчете приняты условные теплопотери 80 Вт на 1 м² площади ограждающих конструкций при ΔT=1 K. Это означает, что при разнице температур 30 К суммарная мощность потерь около 80·120·30 = 288000 Вт (288 кВт). Ежемесячная потребность тепловой энергии вычислялась умножением расчетной мощности на количество часов в месяце.

Например, в январе (744 ч) , а в июне-августе, когда , отопление не требуется. В итоге суммарная годовая потребность дома с такими параметрами оказалась порядка 26–27 МВт⋅ч.

Динамика потребления показала четкий суточный и сезонный профиль: максимальные нагрузки — зимой (декабрь-март), минимум — летом (июнь-август). При отсутствии ГВС эти цифры соответствуют лишь отоплению; с учетом ГВС нагрузка дополнительно возрастает, но в данной курсовой расчеты ограничены отопительной частью. Расчеты выполнены по методикам СНиП (техническим условиям) с использованием среднего месяца как репрезентативного периода.

Для оценки влияния климата приведены данные инсоляции в табл. 1.

Таблица 1

Среднемесячная сумма глобальной радиации в Алматы (горизонтальная плоскость) и годовое ее значение

Описание солнечной гелиосистемы и ее работы

В качестве солнечных коллекторов выбраны вакуумные трубчатые коллекторы типа heat-pipe (тепловые трубки) из-за их высокой эффективности в условиях резкого суточного перепада температур. Преимущества таких коллекторов — высокая производительность при отрицательных наружных температурах и рассеянном свете: они продолжают нагревать теплоноситель даже ночью и в пасмурную погоду. Коллекторы располагаются южным фасадом под углом, близким к широте (~43°) или несколько больше (оптимальный угол 45–50° для совмещенного отопления и ГВС), что обеспечивает максимальный сбор солнечной энергии в отопительный сезон.

Система включает аккумулирующий бак горячей воды объемом 300–500 л. Бак служит основным тепловым аккумулятором: из него циркулирует вода на отопление или ГВС. В солнечных коллекторах циркулирует антифриз или вода в низкотемпературном режиме; тепло от коллекторов через теплообменник передается аккумулированной воде бака. При избытке солнечной энергии в светлое время суток бак нагревается, при ее недостатке (ночью, зимой) тепло отдается из накопителя. Наличие бака-аккумулятора крайне важно, поскольку солнечное излучение нестабильно: без него почти весь дневной избыток бы тратился впустую, а ночью пришлось бы полагаться на резервные источники. Объем бака подобран так, чтобы покрывать как минимум суточную потребность в отоплении и ГВС (устанавливают до 30–40 л объема на 1 м² площади коллекторов).

В системе предусмотрены все необходимые компоненты: циркуляционный насос, расширительный бак, системы управления (термостаты, трехходовые клапаны). Традиционный источник тепла (газовый котел или электронагреватели) подключается к верхней части бака для «дозаправки» теплом в холодные периоды. При этом управлять можно так, чтобы солнечная система работала максимально автономно: традиционный источник включается только при падении температуры бака ниже заданного уровня.

Схема работы: в ясный день солнечный коллектор вырабатывает тепловую энергию и непрерывно нагревает воду в баке-аккумуляторе. Из бака горячая вода подается к радиаторам и в систему ГВС, если ее температура достаточна. При снижении инсоляции вечером (или зимой в пасмурную погоду) основным источником тепла становится накопленное тепло. Если температура в баке падает существенно ниже требуемой, включается резервный котел. Такой гибридный режим обеспечивает стабильный комфорт при экономичном расходе основного топлива.

Расчет доли покрытия тепловой нагрузки

Для оценки эффективности гелиосистемы была смоделирована выработка тепла солнечными коллекторами на год при условии, что все выработанные теплоносителем коллекторы направлены в полезную нагрузку (т. е. бак-аккумулятор допускает полное использование накопленного тепла). Пусть площадь коллекторов S _кол =20 м² (пример: 10 трубок по 2 м² каждая) и средний КПД системы при средних температурах ТН +40…+60 °C составляет 50 % (с учетом тепловых потерь). Тогда месячная выработка тепла оценивается как — суммарная дневная радиация месяца (кВт⋅ч/м²) по табл. 1. Например, в мае кВт⋅ч.

На основе данных табл. 1 получена месячная выработка (при =0.5): январь ≈490 кВт⋅ч, февраль 650, март 1010, апрель 1360, май 1820, июнь 1990, июль 2110, август 1860, сентябрь 1410, октябрь 910, ноябрь 520, декабрь 370 (в кВт⋅ч). Суммарно за год _{Qсол,год} ≈7250 кВт⋅ч. При этом годовая потребность дома Q _{потр,год} ≈26300$ кВт⋅ч (см. раздел 2). Доля покрытия тепловой нагрузки солнечными коллекторами (при оптимальном использовании накопленного тепла) равна:

Таким образом, в данном примере около 28 % годовой потребности в тепле обеспечивается солнечной энергией. Эту долю можно увеличить, увеличивая площадь коллекторов или улучшая теплоизоляцию здания. В модели учтено, что энергия, накопленная днем, используется в ночное время. При отсутствии бака-аккумулятора (только прямой контур без накопления) эффективная доля была бы значительно меньше, так как большая часть дневной выработки не могла бы использоваться ночью.

Сравнение с традиционной системой

В традиционной схеме отопления (газовый или электрический котел) годовая потребность Q _{потр,год} полностью покрывалась бы за счет топлива. Для примера возьмем природный газ: 1 м³ газа дает ≈10 кВт⋅ч тепла (номинальная теплотворная способность ~9000–10000 ккал). Тогда без использования солнечной энергии потребовалось бы около 26300/10 ≈ 2630 м³ газа в год. С учетом гелиосистемы остается покрывать 72 % нагрузки: (26300–7250)/10 ≈ 1903 м³ газа. Таким образом, годовая экономия газа ~727 м³, что значительно снижает расходы на топливо и выбросы CO₂.

Учет динамики нагрузки добавляет уточнения: например, солнечная система в ясный зимний день может полностью обеспечить отопление и ГВС дома, а ночью или в пасмурную погоду понадобятся доли энергии из бака и дополнительные источники. При этом установка солнечного коллектора позволяет уменьшить мощность резервного котла и сократить время его работы. В перспективе комбинирование солнечного и традиционного отопления дает более плавный график работы котельной: пиковые нагрузки перекидываются на дневную солнечную генерацию, а во второй половине дня система переходит на аккумулированное тепло. В итоге газовый котел включается реже и работает в более эффективном режиме, снижая тепловые потери стояка.

Рассмотренный вариант гелиосистемы с площадью 20 м² и баком 400 л показал экономический эффект: при текущих ценах на газ и электроэнергию срок окупаемости таких вложений может составлять несколько лет (оценка зависит от стоимости оборудования и местных тарифов). Стоит отметить, что архитектурно-сантехнические решения (правильный угол наклона, минимальные теплопотери контура) также существенно влияют на итоговую производительность

Заключение

Выполненная работа показала, что интеграция солнечных коллекторов в систему отопления жилого дома в значительной степени улучшает энергоэффективность. Расчеты продемонстрировали, что уже при умеренной площади коллекторов (20 м²) доля покрытия тепловой нагрузки солнечной энергией составляет порядка 25–30 % в год. Солнечные коллекторы наиболее эффективны в условиях яркой инсоляции весной и осенью; их вклад зимой ограничен, но наличие аккумулирующего бака позволяет сгладить этот разрыв. Модельный пример показал, что с солнечной системой можно экономить сотни кубометров газа в год при сохранении комфортного режима отопления.

Литература:

1. Integration of solar thermal collectors and heat pumps with thermal energy storage systems for building energy demand reduction: A comprehensive review // Journal of Energy Storage, 2024.

2. Азарова Т. Б., Гусева К. П., Жилина Т. С. Отопление с использованием солнечных коллекторов в городе Оренбурге. — «Молодой ученый», № 8 (142), 2017, с. 40–43.

3. RUCELF. Пособие по проектированию гелиосистем RUCELF. Москва: RUCELF, 2019.

4. Miroslaw Zukowski. Energy and Environmental Performance of Solar Thermal Collectors and PV Panel System in Renovated Historical Building // Energies, 2021.