СОЛНЕЧНОЕ ГВС

Система ГВС столовой университета

В качестве первого объекта была выбрана студенческая столовая Пензенского государственного технологического университета (ПензГТУ), горячая вода в которой подавалась от двух электрических бойлеров, т.к. котельная обеспечивает только отопление корпусов университета. Общая электрическая мощность накопительных водоподогревателей составляла 6 кВт, а суммарная емкость – 300 л.
Для снижения потребления электрической энергии на подогрев воды специалистами университета разработана и внедрена в 2013-2014 гг. система горячего водоснабжения (ГВС) столовой на основе солнечных коллекторов и теплового насоса. Схема ГВС показана на рис. 1.


Рис. 1. Схема ГВС столовой ПензГТУ.
Система включает в себя следующие основные компоненты: шесть солнечных коллекторов [1] различной модификации (рис. 2); тепловой насос-моноблок типа «воздух – вода» с накопительным баком емкостью 300 л; фотоэлектрические модули (батареи); сетевой инвертор; насосную станцию с расходомером; датчики температуры; электронный контроллер с сетевым интерфейсом.

Рис. 2. Солнечные коллекторы и фотоэлектрический модуль в составе системы ГВС столовой.
Работа системы заключается в следующем. Горячий воздух от кухонных электроплит улавливается воздухозаборником теплового насоса, в котором происходит подогрев воды для ГВС столовой. Температура горячей воды на выходе теплового насоса в нормальном режиме работы – не более 60 °С. Тепловой насос, имея коэффициент эффективности для таких условий 3,5 и потребляемую мощность 1,2 кВт электрической энергии, на выходе выдает 4,2 кВт тепловой энергии. Холодный воздух из теплового насоса по вентиляционным трубам или направляется для охлаждения варочного цеха (летом), или удаляется наружу.
В июне 2014 г. в целях снижения количества потребляемой из централизованной сети электроэнергии в схему были введены дополнительно солнечные фотоэлектрические модули [2]. Для обеспечения работоспособности компрессора теплового насоса, насосной станции и контроллера была разработана схема подключения их к солнечной электростанции. Были арендованы четыре солнечных модуля мощностью 300 Вт с системой аккумулирования и преобразования электроэнергии. Мониторинг в течение двух недель показал, что вся система работает в автоматическом автономном режиме. Солнечная электростанция мощностью 1,2 кВт полностью обеспечивала работу компонентов новой системы ГВС за счет накопленной в аккумуляторах электроэнергии.
Зная солнечную активность в Пензенской области можно предположить, что солнечная станция может использоваться зимой в качестве резервного источника в случае, когда есть перебои с централизованным электроснабжением.
По окончанию эксперимента солнечная станция была демонтирована и на данный момент тепловой насос и другие комплектующие системы ГВС работают от сети центрального электроснабжения. При дальнейшем финансировании проекта планируется монтаж солнечной электростанции для обеспечения энергосбережения и автономности работы системы ГВС.
Проведенные в течение года замеры (без использования фотоэлектрических модулей) показали, что основная часть тепловой энергии для нагрева воды производится солнечными коллекторами, остальную нагрузку берут на себя тепловой насос и трубчатый электронагреватель. На рис. 3 показано распределение долей выработки тепловой энергии в течение года.

Рис. 3. Распределение долей выработки тепловой энергии в комбинированной системе ГВС столовой.
В период с марта по ноябрь нагрузка на солнечные коллекторы наибольшая, а зимой в течение трех месяцев система ГВС работает в основном от теплового насоса. Исключением могут быть ясные дни, когда высока солнечная активность. В таких условиях солнечные коллекторы берут на себя незначительную часть нагрузки, около 10-15%.
Эффективная тепловая мощность солнечных коллекторов составляет от 0,8 до 1,5 кВт. Теплоноситель, находящийся в них, нагревает через теплообменник бака теплового насоса холодную воду, которая затем направляется в систему ГВС. Температура горячей воды на выходе солнечных коллекторов находится в пределах от 40 до 80 °С. Коллекторы работают в режиме активной циркуляции теплоносителя, для чего в схеме предусмотрена насосная станция.
Сравнительные данные по расходу и экономии электроэнергии в системе ГВС столовой приведены в табл. 1.
Таблица 1. Сравнение вариантов системы ГВС столовой университета.

Система ГВС	Параметры
	Месячный расход воды, м3	Месячный расход эл. энергии, кВт×ч	Средний тариф, руб./(кВт×ч)	Стоимость горячей воды*, руб./м3	Месячная экономия
					кВт×ч	руб.
С применением электроподогрева	9,5	407	4,26	182,5	–	–
Комбинированная (солнечные коллекторы + тепловой насос)	9,5	36	4,26	16,14	371	1580,46
Комбинированная + фотоэлектрические модули	9,5	10	4,26	4,48	397	1691,22

* Для сравнения: средняя стоимость горячей воды при централизованном теплоснабжении – 104 руб./м³ (по данным на 2013 г.).
Для обеспечения работы всех компонентов системы в автоматическом режиме в схеме предусмотрена система электронного контроля и управления всеми процессами. При этом информация сохраняется на карте памяти контроллера и затем передается в локальную сеть университета и в интернет. Такой подход позволяет следить в режиме онлайн на интернет-сайте университета за работой системы ГВС столовой университета, анализировать работу солнечных коллекторов в разные периоды эксплуатации, время работы теплового насоса, расход электроэнергии и горячей воды.
В течение первого года гарантийная эксплуатация системы производилась фирмой, осуществившей монтаж системы. После окончания гарантийного сервиса, систему передали на обслуживание техническому персоналу ПензГТУ, который предварительно прошел обучение.
Стоимость оборудования по данным на 2013 г. составила 300 тыс. руб., а стоимость монтажных и пусконаладочных работ – 30 тыс. руб. При общей стоимости проекта 330 тыс. руб. его окупаемость с учетом инфляции тарифов составляет около 14 лет.
Длительный срок окупаемости определяется особенностью работы столовой университета и неравномерностью графиков потребления горячей воды. Так, например, годовой график зависит от каникулярных отпусков студентов. В связи с этим в начале февраля, июле и августе происходят существенные спады потребления горячей воды.
Следует отметить важность реализованного проекта в образовательных целях, т.к. установленное оборудование позволяет проводить научные исследования и оценить эффективности работы подобных систем в климатических условиях Пензенской области.

Система ГВС больницы

В качестве второго объекта была выбрана Центральная районная больница (ЦРБ) с. Бессоновка Пензенской области. Старая система ГВС больницы работала от электрических бойлеров круглогодично, в связи с тем, что модульная котельная была спроектирована только для отопления зданий и корпусов больницы и поликлиники. Горячая вода вырабатывалась двумя электрическими бойлерами емкостью по 500 л каждый (общая электрическая мощность – 12 кВт). Среднесуточный  расход горячей воды – 4000 л. Отопление в осенне-зимний период осуществляется существующей модульной газовой котельной. При этом модернизация котельной для круглогодичного обеспечения ГВС, а также установка в здании вместо электрических бойлеров газовых водонагревателей признана нецелесообразной или невозможной.
В соответствии с ФЗ РФ № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» была сформирована региональная программа развития энергообеспечения, предусматривающая внедрение энергосистем на основе возобновляемых источников энергии, в которую и вошел данный объект.
Проект был реализован в два этапа. На первом этапе в 2012 г. в ЦРБ была установлена автоматизированная солнечная водонагревательная установка на основе шести опытных образцов солнечных коллекторов [1] и система управления. При этом она была включена в схему нагрева воды одного электрического бойлера. Второй бойлер работал в штатном режиме, и вода в нем подогревалась ТЭНом.
Проведенные исследования выявили недостатки опытной конструкции. Так, ГВС ЦРБ только от солнечных коллекторов объективно не обеспечивает эффективную работу системы круглосуточно и круглогодично. В то же время проведенные исследования послужили основанием для серьезного усовершенствования системы и полной реализации инновационного проекта. Усовершенствованная в 2014 г. схема ГВС ЦРБ на основе ВИЭ показана на рис. 4.

Рис. 4. Усовершенствованная схема ГВС ЦРБ с. Бессоновка.
Система включает в себя следующие основные компоненты: 24 солнечных коллектора; тепловой насос типа «воздух – вода» с воздухозаборником и баком на 500 л; дополнительную емкость на 500 л; насосную станцию с расходомером; датчики температуры, электронный контроллер с накопителем информации на карте памяти.
Работа системы аналогична работе, рассмотренной для столовой университета. Отличия заключаются в следующем. Так как на данном объекте применен тепловой насос, состоящий из двух составных частей, одна из которых размещается на стене здания, вторая – внутри помещения, то и его работа зависит от температуры окружающего воздуха. Данная модель насоса работает до температуры –25 °С, при этом коэффициент эффективности составляет от 2,8 до 4,75. При морозах ниже –25 °С предусмотрен автоматический переход на подогрев воды при помощи трубчатых электронагревателей встроенных в накопительный бак теплового насоса. На территории Пензенской области такие погодные условия достаточно редки и не превышают более десяти дней в зимнее время.
В период с марта по ноябрь, как и в предыдущем случае, большая часть нагрузки по приготовлению горячей воды приходится на солнечные коллекторы. На рис. 5 показано распределение долей выработки тепловой энергии в комбинированной системе ГВС больницы в течение года.

Рис. 5. Распределение долей выработки тепловой энергии в системе ГВС больницы.
Следует отметить, что конструкция солнечных коллекторов была разработана в ПензГТУ, на нее получен патент РФ [1]. С 2012 г. солнечные коллекторы серийно выпускаются на машиностроительном предприятии Пензенской области, производится их постоянная модернизация для повышения эффективности работы.
Для обеспечения работы всех компонентов системы ГВС ЦРБ в автоматическом режиме, в том числе и ТЭНов, в схеме предусмотрена система автоматического управления всеми процессами.
Как и на первом объекте гарантийная эксплуатация системы производилась фирмой осуществившей монтаж. После окончания гарантийного сервиса систему передали в обслуживание техническому персоналу больницы, который также предварительно прошел обучение.
Сравнительные данные по расходу и экономии электроэнергии в системе ГВС ЦРБ приведены в табл. 2.
Таблица 2. Сравнение вариантов системы ГВС ЦРБ.

Система ГВС	Параметры
	Месячный расход воды, м3	Месячный расход эл. энергии, кВт×ч	Средний тариф, руб./(кВт×ч)	Стоимость горячей воды*, руб./м3	Месячная экономия
					кВт×ч	руб.
С применением электроподогрева	120,3	6020	3,8	190,6	–	–
Комбинированная (солнечные коллекторы + тепловой насос)	120,3	1505	3,8	47,5	4515	17157

* Для сравнения: средняя стоимость горячей воды при централизованном теплоснабжении – 104 руб./м³ (по данным на 2013 г.).
Стоимость оборудования по данным на 2013 г. составила 660 тыс. руб., затраты на монтажные и пусконаладочные работы – 220 тыс. руб. При стоимости проекта 880 тыс. руб. его окупаемость с учетом инфляции тарифов составляет чуть больше 5 лет. Так, например, годовая экономия в 2015 г. превысила 272 тыс. руб. при средней стоимости тарифа на электроэнергию 5,29 руб./(кВт×ч).
Смонтированная система ГВС в рассмотренной комплектации полностью, круглосуточно и круглогодично обеспечивает горячей водой ЦРБ с. Бессоновка.
Таким образом, проведенные исследования подтвердили, что использование системы ГВС, состоящих из солнечных коллекторов, теплового насоса и, при необходимости, фотоэлектрических модулей, позволяет снять проблему сезонности работы солнечных установок и обеспечить высокую энергоэффективность и надежность работы всей системы.