У статті наведено приклади практичного вирішення завдання вироблення екологічно чистої теплової енергії на основі поновлюваних джерел енергії (ВДЕ) на двох соціальних об’єктах.
Система ГВС їдальні університету
В якості першого об’єкта була обрана студентська їдальня Пензенського державного технологічного університету (ПензДТУ), гаряча вода в якій подавалася від двох електричних бойлерів, тому що котельня забезпечує тільки опалення корпусів університету. Загальна електрична потужність накопичувальних водопідігрівачів становила 6 кВт., а сумарна ємність – 300 л.
Для зниження споживання електричної енергії на підігрів води фахівцями університету розроблена і впроваджена в 2013-2014 рр. система гарячого водопостачання (ГВП) їдальнею на основі сонячних колекторів та теплового насоса. Схема ГВС показана на малюнку.
Система включає в себе наступні основні компоненти: шість сонячних колекторів різної модифікації (мал. 2); тепловий насос-моноблок типу «повітря – вода» з накопичувальним баком ємністю 300 л; фотоелектричні модулі (батареї); мережевий інвертор; насосну станцію з витратоміром; датчики температури; електронний контролер з мережевим інтерфейсом.
Робота системи полягає в наступному. Гаряче повітря від кухонних електроплит вловлюється повітрозабірником теплового насоса, в якому відбувається підігрів води для побутових потреб їдальні. Температура гарячої води на виході теплового насоса в нормальному режимі роботи – не більше 60 °С. Тепловий насос, маючи коефіцієнт ефективності для таких умов 3,5 і споживану потужність 1,2 кВт. електричної енергії, на виході видає 4,2 кВт. теплової енергії. Холодне повітря з теплового насоса по вентиляційних трубах або надсилається для охолодження варильного цеху (влітку), або видаляється назовні.
У червні 2014 року в цілях зниження кількості споживаної з централізованої мережі електроенергії в схему були введені додатково сонячні фотоелектричні модулі. Для забезпечення працездатності компресора теплового насоса, насосної станції та контролера була розроблена схема підключення їх до сонячної електростанції. Були орендовані чотири сонячні модулі потужністю 300 Вт. з системою акумулювання і перетворення електроенергії. Моніторинг протягом двох тижнів показав, що вся система працює в автоматичному режимі офлайн. Сонячна електростанція потужністю 1,2 кВт. повністю забезпечувала роботу компонентів нової системи ГВП за рахунок накопиченої в акумуляторах електроенергії.
Знаючи сонячну активність в Пензенській області можна припустити, що сонячна станція може використовуватися взимку в якості резервного джерелау випадку, коли є перебої з централізованим електропостачанням.
Після закінченню експерименту сонячна станція була демонтована і на даний момент тепловий насос та інші комплектуючі системи ГВП працюють від мережі центрального електропостачання. При подальшому фінансуванні проекту планується монтаж сонячної електростанції для забезпечення енергозбереження та автономності роботи системи ГВП.
Проведені протягом року виміри (без використання фотоелектричних модулів) показали, що основна частина теплової енергії для нагріву води проводиться сонячними колекторами, решту навантаження беруть на себе тепловий насос і трубчастий електронагрівач. На малюнку показано розподіл часток вироблення теплової енергії протягом року.
У період з березня по листопад навантаження на сонячні колектори найбільше, а взимку протягом трьох місяців система ГВП працює в основному від теплового насоса. Винятком можуть бути ясні дні, коли висока сонячна активність. В таких умовах сонячні колектори беруть на себе незначну частину навантаження, близько 10-15%.
Ефективна теплова потужність сонячних колекторів становить від 0,8 до 1,5 кВт. Теплоносій, що знаходиться в них, нагріває через теплообмінник бака теплового насоса холодну воду, яка потім направляється в систему ГВП. Температура гарячої води на виході сонячних колекторів знаходиться в межах від 40 до 80 ° С. Колектори працюють в режимі активної циркуляції теплоносія, для чого в схемі передбачена насосна станція.
Для забезпечення роботи всіх компонентів системи в автоматичному режимі в схемі передбачена система електронного контролю та управління всіма процесами. При цьому інформація зберігається на карті пам’яті контролера і потім передається в локальну мережу університету та в інтернет. Такий підхід дозволяє стежити в режимі онлайн на інтернет-сайті університетуаза роботою системи ГВП їдальні університета, аналізувати роботу сонячних колекторів в різні періоди експлуатації, час роботи теплового насоса, витрата електроенергії і гарячої води.
Протягом першого року гарантійна експлуатація системи проводилася фірмою, яка здійснила монтаж системи. Після закінчення гарантійного сервісу, систему передали на обслуговування технічного персоналу ПензГТУ, який попередньо пройшов навчання.
Вартість обладнання за даними на 2013 рік склала 300 тис. крб., а вартість монтажних і пусконалагоджувальних робіт – 30 тис. крб. При загальній вартості проекту 330 тис. крб. його окупність з урахуванням інфляції тарифів становить близько 14 років.
Тривалий термін окупності визначається особливістю роботи їдальні університету і нерівномірністю графіків споживання гарячої води. Так, наприклад, річний графік залежить від канікулів студентів. У зв’язку з цим на початку лютого, в липні і серпні відбуваються істотні спади споживання гарячої води.
Слід зазначити важливість реалізованого проекту в освітніх цілях, тому що встановлене обладнання дозволяє проводити наукові дослідження і оцінити ефективність роботи подібних систем в кліматичних умовах Пензенської області.
Система ГВС лікарні
В якості другого об’єкта була обрана Центральна районна лікарня (ЦРЛ) с. Безсонівка Пензенської області. Стара система ГВП лікарні працювала від електричних бойлерів цілорічно, в зв’язку з тим, що модульна котельня була спроектована тільки для опалення будівель і корпусів лікарні та поліклініки. Гаряча вода вироблялася двома електричними бойлерами ємністю по 500 л. кожен (загальна електрична потужність – 12 кВт.). Середньодобова витрата гарячої води – 4000 л. Опалення в осінньо-зимовий період здійснюється від існуючої модульної газової котельні. При цьому модернізація котельні для цілорічного забезпечення ГВП, а також установка в будівлі замість електричних бойлерів газових водонагрівачів визнана недоцільною або неможливою.
Відповідно до ФЗ РФ № 261 «Про енергозбереження і про підвищення енергетичної ефективності» була сформована регіональна програма розвитку енергозабезпечення, що передбачає впровадження енергосистем на основі відновлюваних джерел енергії, в яку і увійшов даний об’єкт.
Проект був реалізований в два етапи. На першому етапі в 2012 році в ЦРЛ була встановлена автоматизована сонячна водонагрівальна установка на основі шести дослідних зразків сонячних колекторів і система управління. При цьому вона була включена в схему нагріву води одного електричного бойлера. Другий бойлер працював в штатному режимі, і вода в ньому підігрівалася теном.
Проведені дослідження виявили недоліки дослідної конструкції. Так, ГВС ЦРЛ тільки від сонячних колекторів об’єктивно не забезпечує ефективну роботу системи цілодобово і цілорічно. У той же час проведені дослідження послужили підставою для серйозного удосконалення системи і повної реалізації інноваційного проекту. Удосконалена в 2014 р схема ГВС ЦРЛ на основі ВДЕ показана на малюнку.
Система включає в себе наступні основні компоненти: 24 сонячних колектора; тепловий насос типу «повітря – вода» з повітрозабірником і баком на 500 л; додаткову ємність на 500 л; насосну станцію з витратоміром; датчики температури, електронний контролер з накопичувачем інформації на карті пам’яті.
Робота системи аналогічна роботі, розглянутої для їдальні університету. Відмінності полягають в наступному. Так як на даному об’єкті застосований тепловий насос, що складається з двох складових частин, одна з яких розміщується на стіні будівлі, друга – всередині приміщення, то і його робота залежить від температури навколишнього повітря. Дана модель насоса працює до температури -25 ° С, при цьому коефіцієнт ефективності становить від 2,8 до 4,75. При морозах нижче -25 ° С передбачений автоматичний перехід на підігрів води за допомогою трубчастих електронагрівачів вбудованих в накопичувальний бак теплового насоса. На території Пензенської області такі погодні умови досить рідкісні і не перевищують більш десяти днів в зимовий час.
У період з березня по листопад, як і в попередньому випадку, велика частина навантаження з приготування гарячої води припадає на сонячні колектори. На малюнку показано розподіл часток вироблення теплової енергії в комбінованій системі ГВС лікарні протягом року.
Слід зазначити, що конструкція сонячних колекторів була розроблена в ПензГТУ, на неї отримано патент РФ. З 2012 року сонячні колектори серійно випускаються на машинобудівному підприємстві Пензенської області, проводиться їх постійна модернізація для підвищення ефективності роботи.
Для забезпечення роботи всіх компонентів системи ГВП ЦРЛ в автоматичному режимі, в тому числі і ТЕНів, в схемі передбачена система автоматичного управління всіма процесами.
Як і на першому об’єкті гарантійна експлуатація системи проводилася фірмою, котра здійснила монтаж. Після закінчення гарантійного сервісу систему передали в обслуговування технічного персоналу лікарні, який також попередньо пройшов навчання.
Вартість обладнання за даними на 2013 рік склала 660 тис. куб., Витрати на монтажні і пусконалагоджувальні роботи – 220 тис. куб. При вартості проекту 880 тис. крб. його окупність з урахуванням інфляції тарифів становить трохи більше 5 років. Так, наприклад, річна економія в 2015 році перевищила 272 тис. крб. при середній вартості тарифу на електроенергію 5,29 крб ./ (кВт × год).
Змонтована система ГВП в розглянутої комплектації повністю, цілодобово і цілорічно забезпечує гарячою водою ЦРЛ с. Безсонівка.
Таким чином, проведені дослідження підтвердили, що використання системи ГВС, якіскладаються з сонячних колекторів, теплового насоса і, при необхідності, фотоелектричних модулів, дозволяє зняти проблему сезонності роботи сонячних установок і забезпечити високу енергоефективність і надійність роботи всієї системи.