Место под солнцем

О гелиоэнергетике говорят «нетрадиционная», «альтернативная». Из чего следует, что о полном отказе от «традиционной» энергетики речь сегодня вообще не идет. Однако занять свою нишу в производстве энергии всерьез и надолго нетрадиционная энергетика может и должна.

Обратите внимание: первый атомный энергоблок был построен под руководством И.В. Курчатова относительно недавно, в 1954 г., и атомная энергетика однозначно считается традиционной, а первая промышленная гелиоустановка была запущена в 1912 г., и гелиоэнергетика по-прежнему считается нетрадиционной. В чем же причины такой «несправедливости»?

Попробуем охарактеризовать основные аспекты солнечной энергетики по сравнению с «традиционной»:

• Неуправляемый режим поступления лучистой энергии от солнца.
• Сравнительно низкая удельная энергетическая насыщенность (0,85 - 1,2 кВт/м2). Это ничтожно мало, по сравнению с аналогичными показателями котлов и реакторов.
• Невозможность совмещения графиков выработки и потребления энергии, как в суточном, так и годовом циклах требует создания надежных систем аккумулирования.

И это только некоторые проблемы, «благодаря» которым гелиоэнергетика остается нетрадиционной, временами модной, но не имеет массового применения. В таком случае, можно ли вообще говорить об эффективной гелиоэнергетике?

ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

Основное понятие гелиоэнергетики – гелиосистема. Любое здание (или создание) можно и следует рассматривать как гелиосистему, если оно способно воспринимать, аккумулировать и преобразовывать солнечное излучение. Например, жилые здания, производственные помещения, школы и другие постройки как таковые являются гелиосистемами.

Различают пассивные и активные гелиосистемы. Активные – имеют одну специфическую функцию: преобразование, хранение или транспортировка полученной от солнца энергии. Типичный пример активной гелиосистемы – солнечный коллектор. Это теплообменник, помещенный в корпус и заполненный энергоносителем, выполняющий единственную функцию – преобразование лучистой энергии в тепловую.

С другой стороны, пассивные гелиосистемы многофункциональны. Например, стена дома – несущая, ограждающая конструкция, и, одновременно, лучевоспринимающая поверхность и элемент накопителя гелиосистемы.

Так вот, если рассматривать здание (вне зависимости от его назначения) как гелиосистему, можно получить представление об энергетическом балансе объекта. Что, в свою очередь, позволит судить о его энергетических качествах и с инженерной точностью определить потребное для его эксплуатации количество энергии.

И когда некая постройка рассматривается как гелиосистема, строится или реконструируется с учетом особенностей климата в данной местности, тогда система энергообеспечения, устроенная в здании, «берет на себя» часть расходов по отоплению и энергоснабжению. Причем, сроки окупаемости подобных систем не будут колоссальными, они соизмеримы со сроками окупаемости обычных зданий. И вот с этой точки зрения использование энергии солнца актуально, современно и эффективно.

В последние годы в мировой практике сформировались следующие подходы к строительству энергоэффективных объектов:

• использование аккумулирующих стен, имеющих большую толщину с южной (более освещенной) стороны и меньшую толщину, но лучшую теплоизоляцию с северной (более холодной);
• устройство массивных полов, которые накапливают тепло в жаркое время года, и отдают в холодное;
• оптимальное расположение окон по сторонам света и т. п.

К сожалению, в Украине подобных разработок пока крайне мало, а вот у наших соседей в Польше их уже имеется достаточное количество. В тех странах, где традиционных источников энергии практически нет (Израиль, например), делают ставку на солнечные системы, что совершенно естественно.

Кстати, во многих старых домах в западной Украине или на севере России, построенных с учетом традиций национального домостроения, правильно учтены климатические особенности территории. Другой пример – арабское изобретение XII века – дом с большими свесами кровли. Свес делается таким образом, чтобы летом солнечные лучи не «жгли» в стекло и не нагревали помещение. Зимой же, когда солнышко несет тепло, комфорт и радость, но при этом поднимается ниже по небосклону, его лучи попадают в окно. Кстати, американцы подсчитали, что такой свес, хотя и не заменит кондиционер совсем, но позволит сэкономить значительную сумму на его использовании.

Говоря об Украине, стоит отметить, что на территории нашего государства порядка 10 миллионов частных домов, а частный дом – это гелиосистема в чистом виде. Давайте попробуем проанализировать среднестатистический частный дом в Харьковской области. В нашей местности преобладающий зимний ветер – северо-восточный. И, если дверь дома открывается на северо-восток, то, как бы этот дом не утепляли, он все равно будет холодным из-за того, что каждый раз при открытии входной двери в помещение врывается холодный зимний воздух.

Следующий фактор – расположение окон. Географическое положение Украины таково, что с северной части неба солнечный свет в окна практически не попадает, только с южной. Это в таких странах как Аргентина, солнце светит с севера. А в таких климатических зонах как Англия, где преобладает пасмурная погода, и солнечный свет рассеивается (в некоторых областях рассеяние света достигает 50%) – там нет существенной разницы, с какой стороны располагаются окна в доме.

Практичные американцы вывели оптимальное соотношение площадей остекления (наиболее эффективный размер окон, ориентированных на разные стороны света), которое обеспечивает максимальную освещенность, но при этом минимизирует потери тепла.

Более того, в строительной теплофизике уже давно определены, просчитаны тепловые балансы зданий (сколько процентов тепла зимой уходит через стены, сколько через окна, сколько через пол, потолок и сколько с вентиляцией). Причем, все эти данные не являются секретной информацией, они выложены – бери и пользуйся. Строительство с учетом климатических особенностей местности – это первый шаг к разумному использованию гелиосистем.

Следующий шаг – использование активных гелиосистем, которые преобразуют энергию солнца, а в итоге смогут компенсировать значительную часть расходов на содержание здания. Здесь нужно учитывать следующее: из-за малой энергонасыщенности система занимает много места, поэтому оптимальный вариант – интегрировать активную гелиосистему в площадь проекции объекта, располагать ее элементы (фотопреобразователь или преобразователь тепла) непосредственно на здании. Кроме того, использовать площадь под зданием для создания теплоаккумулятора.

ВОЗМОЖНОСТИ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКИ

На самом деле, ситуации, в которых используется непосредственно «электричество в чистом виде», можно пересчитать по пальцам. Гораздо чаще используется тепло, которое выделяется в процессе прохождения электрического тока, механическое движение, искусственное освещение и др. А электричество – лишь удобная форма для транспортировки энергии. Совершенно естественно возникает вопрос: возможно ли сразу получать готовый продукт, минуя промежуточные стадии преобразования?

К примеру, рассмотрим процесс получения питьевой воды с использованием фотоэлектрической солнечной батареи. В данном случае, питьевая вода – готовый продукт, производить и накапливать который можно при наличии солнечного излучения, а потреблять по мере необходимости. Это фактически позволяет совместить графики выработки энергии гелиосистемой с графиком использования готового продукта.

Данное приложение гелиосистем особенно актуально для приморских районов, где солнца достаточно, а уровень качества воды очень низкий. На берегу моря можно установить автономный модуль, не требующий питания извне, и с помощью электрохимического процесса водоподготовки получать качественную питьевую воду.

Далее, грунт на глубине 5 м имеет температуру (+8 +10 °С), причем вне зависимости от времени года. Этому факту существует простое применение: устроить подземный теплообменник. Если закачать воздух для вентиляции под грунт, то зимой придется нагревать его только на 12 °С (не с -20, а с 8 °С до +20 °С), а летом не нужен будет кондиционер. Такие системы (грунтовые теплообменники) применяются в Германии, Финляндии и Польше.

А если говорить не о воздухе, имеющем малую теплоемкость, а о системах, использующих воду в качестве теплоносителя, или еще более эффективных системах с тепловыми насосами, то в этих случаях производительность по теплу будет значительно выше. Тепловой насос – один из самых эффективных способов получения тепла, а если ему предоставить тепло, полученное активной частью гелиосистемы, то его мощности будет достаточно для отопления помещения.

Давайте оценим «отопительные возможности» гелиосистемы, например, в Харьковской области. Для начала представим, что активная гелиосистема в состоянии обеспечить мощность с 1 кв. м лучевоспринимающей поверхности P= 500-800 Вт эффективных. Пусть это будет в самый «плохой» год солнечного сияния (это N=1000 часов). Тогда с одного квадратного метра лучевоспринимающей поверхности можно получить: Q=PN=0.5*1000=500кВтч, или 1800 Мдж.

С другой стороны, отопление приличного уровня требует около 100 Вт на 1 кв. м жилой площади. В Харькове отопительный сезон составляет 180 дней. Энергия, необходимая для отопления, составит: Qот=0.1*180 *24=432кВтч, или 1555 МДж.

Таким образом, для отопления 1 кв. м жилья необходимо 0,86 кв. м гелиоколлектора с учетом того, что выработанную энергию удастся сохранить до наступления отопительного сезона в теплоаккумуляторе.

Таким образом, оценочный расчет показывает, что необходимая для отопления энергия может быть получена с площади гелиоколлекторов не превышающей площадь самого здания. Так есть ли смысл заниматься подобными проектами? Вероятно, есть.

Что касается производственных помещений – там также возможна термомодернизация, и подход к энергосбережению идентичен. В первую очередь нужно осмотреть здание, ведь все объекты индивидуальны. А далее все аналогично:

• Окна размещаем на южной стене (для Украины).
• Стену, на которую светит солнце, делаем толще.
• Северные и восточные стены должны быть самыми легкими и самыми теплоизолированными.
• Убрать лишние конвективные потоки, которые уносят много тепла. Специфика производственного помещения такова, что в нем одновременно находится много людей, значит, чаще открывается дверь, поэтому нужны тепловые завесы и тамбур на входе, создающий буферную зону холодному воздуху.
• На кровле расположить солнечные коллекторы (площадь крыши производственных помещений всегда достаточна для того, чтобы получать существенное количество энергии).

Обычно в цехах толстые бетонные полы, а бетон сам по себе прекрасный теплоаккумулятор. Как правило, в цехах есть сеть каналов, в которых проложены кабели или трубы. Эти каналы также можно использовать для накопления тепла (холода). Летом, например, можно прогонять через них воздух (предварительно очистив его), тем самым охлаждать помещение. А зимой, соответственно, сохраненное тепло сможет подогревать пол и частично отапливать помещение.

Точный объем капиталовложений в термомодернизацию определяется в результате анализа на месте.

Имея данные конкретного объекта (площадь помещения, высоту и расположение стен), можно рассчитать, сколько солнечной энергии потребуется для отопления и электроснабжения. А, исходя из данных мониторинга о количестве тепла и электроэнергии, которые можно получить в данном месте в случае применения активных элементов гелиосистем, рассчитывается, сколько энергии потребуется для отопления здания, какое количество энергии можно распределить на другие потребности. В любом случае, в нашей климатической зоне получается реальная экономия используемых энергоносителей.

Трохин М.В., Лысенко В.В., Мараховский М.Б.