Солнечное тепло: один раз построить систему и годами сокращать расходы на энергию
В большинстве гостиничных и санаторных проектов солнечную энергетику рассматривают прежде всего как производство электричества. На крышах устанавливают фотоэлектрические панели, полученное электричество направляют потребителям, а для автономной работы приобретают дорогостоящие аккумуляторные батареи.
Но значительная часть энергии в гостинице нужна не в виде электричества, а в виде тепла. Необходимо ежедневно нагревать воду для номеров, кухни, прачечной, медицинских процедур и бассейнов. Зимой к этому добавляются отопление и вентиляция.
Для таких задач солнечный коллектор может оказаться рациональнее фотоэлектрической панели. Он не производит электричество, а непосредственно нагревает жидкий теплоноситель. Полученное тепло передаётся воде, системе отопления, бассейну или другому потребителю.
Между солнечной электростанцией и солнечным коллектором существует принципиальное различие. Фотоэлектрическая панель преобразует солнечное излучение в электричество, после чего электричество приходится снова превращать в тепло. Солнечный коллектор сразу производит тепло и исключает промежуточное преобразование.
Это не означает, что солнечные коллекторы всегда выгоднее фотоэлектрических панелей. У этих технологий разные задачи. Электрические панели обеспечивают освещение, вентиляцию, насосы, холодильное оборудование и другие электрические нагрузки. Солнечные коллекторы предназначены прежде всего для тех потребителей, которым необходима тёплая или горячая вода.
Почему гостиница подходит для солнечного теплоснабжения
Главная проблема солнечной энергетики заключается в несовпадении производства и потребления. Солнце даёт максимум энергии днём и летом, а отопление особенно необходимо ночью и зимой.
Гостиница частично решает эту проблему благодаря постоянному потреблению горячей воды. Гости пользуются душем утром и вечером, ресторан и кухня работают ежедневно, прачечная обрабатывает бельё, бассейны требуют подогрева и компенсации тепловых потерь.
В отличие от отопления, прекращающегося летом, горячая вода нужна круглый год. Поэтому первым потребителем солнечного тепла должно становиться не отопление, а горячее водоснабжение. После его обеспечения избыток энергии можно направлять на бассейны, подогрев приточного воздуха или низкотемпературное отопление.
Для рассматриваемого комплекса на территории бывшей турбазы «Катунь» годовая полезная потребность только на горячее водоснабжение номерного фонда предварительно оценивается в 2,75 ГВт·ч. Ресторан добавляет ещё около 0,24–0,75 ГВт·ч. Совокупная расчётная потребность в тепле для горячего водоснабжения составляет приблизительно 2,99–3,51 ГВт·ч в год.
В этот объём пока не включены бассейны, прачечная, медицинские процедуры и другие дополнительные потребители. После их расчёта круглогодичная потребность в горячей воде и низкотемпературном тепле может заметно увеличиться.
Именно эта постоянная нагрузка создаёт основу для солнечной системы. Собственнику важно не установить максимальное количество коллекторов, а обеспечить полезное использование произведённого тепла.
Как работает солнечная система
Солнечный коллектор поглощает солнечное излучение и нагревает циркулирующий внутри теплоноситель.
Затем теплоноситель поступает в теплообменник и передаёт энергию воде в накопительной ёмкости.
В холодном климате прямую циркуляцию бытовой воды через наружные коллекторы применять рискованно. При остановке движения вода может замёрзнуть и разрушить оборудование. Поэтому используется закрытый контур с незамерзающим теплоносителем, отделённый от бытовой воды теплообменником. Такое устройство систем для регионов с отрицательными температурами описано в материале ENERGY STAR о солнечном нагреве воды (https://www.energystar.gov/products/solar_water_heaters/how-it-works).
Днём коллекторы нагревают теплоноситель, автоматика включает циркуляционные насосы, а тепло поступает в накопительную ёмкость. Утром, вечером и ночью гостиница использует запасённую горячую воду.
Солнечная система не требует электрических аккумуляторов для хранения произведённого тепла. Вместо химической батареи используется вода в теплоизолированных ёмкостях. Однако полностью работать без накопления тепла она, как правило, не может. Производство солнечной энергии и потребление горячей воды происходят в разное время, поэтому накопительные баки являются важной частью системы.
В этих материалах необходимо различать электрический аккумулятор и тепловой накопитель. Отказ от дорогих электрохимических батарей действительно является преимуществом солнечных коллекторов, но это не означает отказа от накопления энергии вообще.
Куда направляется солнечное тепло
- Первое направление — предварительный нагрев холодной воды перед её поступлением в основную систему горячего водоснабжения. Даже если солнечной энергии недостаточно для достижения требуемой температуры, котельная получает уже подогретую воду и расходует меньше топлива.
- Второе направление — нагрев воды в бассейнах. Здесь не требуется такая высокая температура, как в системе горячего водоснабжения, поэтому коллекторы могут работать эффективнее. Бассейны одновременно становятся крупным потребителем летнего избытка тепла.
- Третье направление — водяное отопление полов и стен. Нагретый теплоноситель циркулирует по трубам, встроенным в строительные конструкции, и передаёт тепло помещению через большую поверхность.
Такое отопление работает при более низкой температуре теплоносителя, чем традиционные высокотемпературные радиаторы. Это улучшает условия использования солнечного тепла, когенерации и других низкотемпературных источников.
При этом солнечный коллектор не подключается непосредственно к электрическому кабелю или кварцевому нагревательному элементу. Электрический нагреватель использует электричество, а солнечная тепловая система — жидкий теплоноситель. Для совместной работы с солнечными коллекторами в полах и стенах предусматривается водяной контур.
Основная и резервная энергия
Солнечная система не должна рассматриваться как единственный источник тепла для гостиницы на Алтае. Зимой продолжительность дня уменьшается, наружная температура снижается, а тепловая нагрузка здания возрастает. Снег, облачность, затенение и техническое состояние коллекторов также влияют на выработку.
Поэтому солнечные коллекторы работают совместно с котельной, утилизацией тепла газопоршневых установок и тепловыми накопителями. Автоматика сначала использует доступное солнечное тепло, затем когенерационное тепло, а недостающую мощность обеспечивает котельная.
Такая схема не требует от солнца невозможного. Его задача заключается не в полном замещении всех источников, а в сокращении количества топлива, которое комплекс покупает ежегодно.
Собственник получает гибридную систему. В солнечные часы расходы снижаются, а при недостатке солнца гостиница продолжает работать за счёт управляемых источников тепла.
Предварительный потенциал комплекса
Для полного комплекса рассматривается предварительный сценарий солнечного поля с поглощающей площадью около 2 800 м². При поглощающей площади одного модуля приблизительно 3,96 м² потребуется около 708 коллекторов.
Сценарная полезная выработка такого поля оценивается примерно в 1,68 ГВт·ч тепла в год. Это около 14–17% предварительно рассчитанной годовой тепловой потребности базовых функций комплекса.
Одновременно такой объём сопоставим приблизительно с половиной рассчитанной потребности горячего водоснабжения гостиничных номеров и ресторана. После добавления бассейнов, прачечной и медицинских процедур доля солнечного покрытия изменится, но возможностей полезного использования летнего тепла станет больше.
Эти показатели пока нельзя считать проектными. Они должны быть подтверждены расчётом солнечного излучения непосредственно для участка, затенения существующими деревьями и будущими зданиями, ориентации коллекторов, температуры теплоносителя, тепловых потерь и почасового потребления.
Особенно важно учитывать сохранение природной среды. Коллекторы нельзя размещать только по принципу максимальной доступной площади. Их расположение должно быть согласовано с архитектурой корпусов, сохранением деревьев, снеговыми нагрузками, обслуживанием и внешним видом комплекса.
Откуда возникает экономия
Солнечный коллектор не создаёт денежную выручку сам по себе. Он замещает тепло, которое пришлось бы производить котельной, электрическими нагревателями или другим источником.
Годовая экономия определяется умножением фактически использованного солнечного тепла на стоимость замещаемого тепла. Из результата вычитаются электроэнергия насосов, техническое обслуживание, замена теплоносителя и другие эксплуатационные расходы.
В рассматриваемой модели полезное тепло котельной на СУГ предварительно стоит около 5,24 рубля за 1 кВт·ч. Если солнечная система действительно передаст потребителям 1,68 млн кВт·ч в год и весь этот объём заменит тепло от СУГ, верхняя экономия топлива составит приблизительно 8,8 млн рублей в год до вычета эксплуатационных расходов солнечной системы.
После подключения природного газа стоимость котельного тепла снижается приблизительно до 1,35 рубля за 1 кВт·ч. При той же полезной солнечной выработке замещённое топливо будет стоить около 2,3 млн рублей в год.
Это показывает важную экономическую закономерность. Чем дороже замещаемое топливо, тем быстрее окупается солнечная система. На этапе использования привозного СУГ её экономический потенциал значительно выше, чем после подключения природного газа.
Но приведённые 8,8 и 2,3 млн рублей являются не прогнозом, а верхними сценарными значениями. Реальный результат зависит от количества тепла, которое совпало по времени с потреблением и было фактически использовано.
Если летом система производит больше тепла, чем требуется гостинице и бассейнам, излишек не создаёт экономии. Именно поэтому размер поля определяется не только количеством солнечного излучения, но и графиком потребления.
Как рассчитывается окупаемость
Простой срок окупаемости определяется делением дополнительных капитальных затрат на годовую чистую экономию.
В капитальные затраты необходимо включать сами коллекторы, несущие конструкции, трубопроводы, насосы, теплообменники, накопительные ёмкости, автоматику, монтаж, проектирование, пусконаладку и резерв непредвиденных расходов.
В годовую экономию включается только стоимость реально замещённого топлива или электричества. Из неё вычитаются собственное электропотребление, обслуживание и ремонты.
Пока не получены коммерческие предложения и расчёт полезной выработки для конкретного участка, называть точный срок окупаемости нельзя. Любая цифра в годах без этих данных будет не инвестиционным расчётом, а рекламным предположением.
В расчётном материале статьи 16 приведены сценарии полной стоимости 125–210 млн рублей и показано, как обслуживание и дисконтирование меняют результат. Поэтому снижение закупки топлива следует отличать от окупаемости капитальных вложений.
Рациональная последовательность состоит в том, чтобы сначала определить круглогодичных потребителей тепла, затем рассчитать солнечное поле, получить предложения поставщиков и только после этого вычислить срок окупаемости для периода СУГ и для будущего периода природного газа.
Что получает собственник
Правильно спроектированная солнечная система уменьшает ежегодную закупку топлива, снижает зависимость от его стоимости и использует один и тот же источник тепла для нескольких функций комплекса.
Солнечные коллекторы могут нагревать бытовую воду, поддерживать температуру бассейнов и передавать тепло водяному отоплению полов и стен. Они не отменяют котельную, но сокращают время её работы и расход газа.
Основные элементы системы устанавливаются во время строительства, когда ещё доступны кровли, технические помещения и инженерные каналы. Последующее расширение предусматривается заранее, а дополнительные коллекторы подключаются по мере ввода новых корпусов и появления подтверждённой нагрузки.
Таким образом, инвестиционный смысл солнечных коллекторов заключается не в обещании бесплатной энергии. Солнце действительно не требует оплаты, но оборудование, монтаж и эксплуатация имеют стоимость. Экономический результат создаёт только полезное тепло, которое комплекс смог принять и которое реально заместило покупное топливо.