Казалось бы, простая вещь – солнечный коллектор: поставил на крыше - и грей себе воду для разных хозяйственных нужд! Чем больше воды нагреешь - тем больше сэкономишь на газе, дизельном топливе или электроэнергии, тем быстрее окупятся средства, потраченные на покупку коллектора с принадлежностями и монтаж установки. Но есть нюанс: за световой день имеет смысл готовить не больше горячей воды, чем расходуется в хозяйстве за сутки.
Главный вопрос при планировании гелиоколлекторной установки – сколько коллекторов поставить? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сопоставить потребность в тепле с производительностью солнечного коллектора, т.е. с количеством тепла, которое может быть им выработано за тот или иной промежуток времени. И если с первой величиной все более-менее ясно, то вторую учесть очень сложно, поскольку она определяется поступлением солнечной энергии, которое не только меняется на порядок в течение года (рис. 1), но и может существенно меняться ото дня ко дню из-за облачности.
В течение суток время наибольшего поступления солнечного тепла также не совпадает с периодами наибольшего потребления горячей воды, поэтому поступившее днем тепло, главным образом, накапливается в баке-аккумуляторе, откуда расходуется до начала следующего светового дня. Неизрасходованное за это время тепло сокращает свободную емкость бака-аккумулятора на следующий день. Когда температура воды в баке достигает максимума, даже если солнце все еще светит, установка переходит в режим стагнации, и преобразование солнечной энергии в тепло прекращается. Получается, что для оценки количества потребленного тепла, график его дневного поступления должен быть «обрезан» на уровне суточной потребности (рис. 2).
Пусть, например, суточная потребность в тепле для ГВС составляет 10 кВт∙ч, что примерно соответствует нагреву 300 л воды на 30 °С (от 15 °С до 45 °С). Тогда, глядя на диаграмму на рис. 2 можно подумать, что увеличивать количество коллекторов при такой потребности в тепле нет смысла – «обрежется» больше энергии, чем будет выработано дополнительно в пасмурные дни. Однако не будем забывать, что на диаграмме – данные по июню, самому солнечному дню в году. А если рассмотреть, например, апрель (рис. 3), то все становится не так однозначно.
С одной стороны, увеличение числа коллекторов несомненно приводит к росту потребления тепла – ведь один коллектор ни разу за месяц не покрывает суточной потребности. Но с другой стороны, суммарное потребление тепла за месяц увеличивается непропорционально - не в 2 раза, а всего лишь на 28%, с 225 до 288 кВт∙ч. Это объясняется тем, что в солнечные дни возможная выработка тепла двумя коллекторами превышает потребность в нем, и значительное количество тепла оказывается лишним.
Тем не менее, ясно, что увеличивая число коллекторов, можно достичь увеличения выработки тепла в целом по году при любом значении суточной потребности. Вопрос – стоит ли это делать, ведь рост числаа коллекторов увеличивает стоимость всей установки. Правда, увеличивает не в разы, а на 20-25% от первоначальной стоимости установки с одним коллектором, включая монтаж (для упрощения анализа будем считать, что для увеличения производительности установки достаточно только добавить коллекторов). Очевидно, что увеличение числа коллекторов оправданно, если рост выработки/потребления тепла при этом опережает рост стоимости установки. Как с этим обстоит в нашем примере?
На рис. 4а показано относительное изменение выработки/потребления тепла за год при увеличении количества коллекторов в установке, рассчитанное для условий, указанных выше. При увеличении числа коллекторов с 1 до 2 годовое потребление возрастает на 40%, тогда как стоимость установки – на 20%, что делает увеличение производительности оправданным. Но уже добавление еще одного коллектора приводит к росту годового потребления только на 14%, при том что стоимость возрастает на 16%. Из этого можно сделать вывод, что при суточной потребности в тепле 10 кВт∙ч оптимальное количество коллекторов – 2.
Положим теперь, что суточная потребность в тепле, при тех же прочих условиях, составляет 20 кВт∙ч – что изменится? Полностью востребованным оказывается даже все тепло выработанное двумя коллекторами, а рост годового потребления тепла начинает уступать росту стоимости установки лишь с добавлением в нее четвертого коллектора.
Чем больше стоит установка, тем дольше будет окупаться, а чем больше бесплатного тепла она собирает ежегодно, тем быстрее окупится. Исходя из этих вполне очевидных посылок, можно попытаться оценить относительное изменение срока окупаемости с увеличением числа коллекторов в установке, при прочих равных условиях. Для этого поделим значения стоимости установки с графика на рис. 4б на значения годовой выработки тепла с графика на рис. 4а. Результат, представленный графиком на рис. 4в, показывает, что для каждого значения суточного потребления существует оптимальное количество коллекторов, обеспечивающее наименьший срок окупаемости. Интересно, что при более высокой суточной потребности в тепле увеличение количества коллекторов с 1 до 3 ускоряет окупаемость почти в 2 раза!
Как и ожидалось, при большей суточной потребности в тепле есть возможность применить более производительную установку, которая и окупается быстрее. Но как можно увеличить потребление санитарной горячей воды? Первое, что приходит в голову в этой связи – это посудомоечные и стиральные машины. Обычно они греют воду сами, расходуя дорогое электричество, тогда как можно было бы заливать в них уже нагретую солнцем воду, а электричество – экономить. Прекрасная идея, не так ли? Но вот что странно: лет 10-15 назад, когда мало кто думал об использовании солнечной энергии в своем хозяйстве, еще можно было приобрести стиральную или посудомоечную машину с возможностью подключения горячей воды (наряду с холодной), а сейчас они почему-то повсеместно исчезли из продажи. Кто-нибудь знает – почему?