Американский Научный Журнал ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ АДМИНИСТРАТИВНОГО ЗДАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 33

ЭНЕРГЕТИКА

ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ АД МИНИСТРАТИВНОГО ЗДАН ИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕ ТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Амерханов Роберт Александрович
доктор технических наук, профессор, кафедра электротехники,
теплотехники и возобновляемых источников энергии
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет
имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Ро ссия
Армаганян Эдгар Гарриевич
аспирант, кафедра электротехники,
теплотехники и возобновляемых источников энергии
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет
имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Россия
Дворный Владимир Викторович
аспирант, кафе дра электротехники,
теплотехники и возобновляемых источников энергии
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет
имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Россия

Аннотация . Произведен анализ эффективности работы солнечной энергетической установки д ля
комплексного энерг оснабжения на примере здания службы механизации и транспорта (СМиТ) филиала
ПАО «Кубаньэнерго» сочинской электрической сети в г. Сочи, при условии частичного замещения
энергии, получаемой от существующих сетей централизованного тепло - и электроснабжения. В ыполнен
расчет параметров системы теплоснабжения и горячего водоснабжения для здания СМиТ. Оценена
экономическая целесообразность использования гибридной солнечной энергетической установки для
комплексного энергоснабжения административ ного здания в климати ческих условиях г. Сочи.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, гибридный солнечный
коллектор, энергообеспечение,энергосбережение.

Введение
Рост цен на энергоносители вынуждает
потребителей находить альтернативные источники
тепловой и электрической энергии, одним из
которых является энергия солнца, которая может
быть преобразована в полезно используемую
человеком форму при помощи солнечных
коллекторов и фотоэлектрических панелей.
Экономическая целесо образность сооружения
солнечной системы энергоснабжения определяется
в основном стоимостями оборудования и
замещаемой энергии.
Сделан анализ эффективности работы
солнечной энергетической установки для
комплексного энергоснабжения на примере здания
службы механизации и транспорта (СМиТ)
филиала ПАО «Кубаньэнерго» сочинской
электрической сети в г. Сочи, внешний вид которой
приведен на рисунке 1, при условии частичного
замещения энергии, получаемой от существующих
сетей централизованного тепло - и
электроснабж ения.

34 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
Рисунок 1. Здание службы механизации и транспорта (СМиТ) филиала ПАО «Кубаньэнерго» сочинской
электрической сети в г. Сочи

Объект размещения
Для расчета были использованы
климатологические данные для г. Сочи по СНИП
2.04.05 -91 [1]:
Расчетная лет няя температу ра + 28 ºС;
Расчетная зимняя температура + 4 ºС;
Температура наиболее холодной
пятидневки - 6 ºС;
Продолжительность отопительного периода
126 сут.
Здание службы механиза ции и транспорта
(СМиТ) филиала ПАО «Кубаньэнерго» сочинской
электрической сети в г. Сочи выполнено из
железобетона с утеплением, кровля здания
выпо лнена из железобетонных плит (1,5 х 6,0 м) с
утеплителем из керамзита и нескольких слоев
рубероида (рисунок 2), данная конструкция
обладает достаточной несущей способностью для
разме щения на ней солнечных коллекторов
установки энергоснабжения.

Рисунок 2. Крове льный пирог

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 35

Температура внутри здания в отопительный
период не должна опускаться ниже + 18 ºС.
Параметры системы теплоснабжения
Произведен расчет параметров системы
теплоснабжения и горячего водоснабжения для
здания СМиТ. Для этого воспользуемся данными
энергообследования здания СМиТ, по таблице 1.

Таблица 1
ДАННЫЕ УДЕЛЬНЫХ ПОКА ЗАТЕЛЕЙ РАСХОДА ТЕ ПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, НА О ТОПЛЕНИЕ,
ВЕНТИЛЯЦ ИЮ И ГОРЯЧЕЕ ВОДОСНА БЖЕНИЕ НА 1 М 2

При расчете с олнечной системы
теплоснабжения (ССТ) и горячего водоснабжения
учитывается круглогодичность их работы.
Теплопроизводительность ССТ за годичный
период ее эксплуатации (Qс) определяется по
уравнению:
(1)
где f - доля полной среднегодовой тепловой
нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной
энергии 2,5%; Q - полная годовая нагрузка
теплоснабжения, кВт·ч, тогда
Qс=0,025х41,25=1,095кВт·ч, с учетом площади
здания СМиТ; S=82 5,4м 2 , Qс=903,81кВт·ч или
Qс=0,777 Г кал:
Удельная годовая теплопроизводительность
ССТ определяется по формуле
(2)
где F - площадь поверхности ГКУ, площадь
одного гелиоколлектора, F=2,049 м 2 тогда
площадь для 16 шт. составит F=32,79м 2 тогда
в го д
Удельная годовая теплопроизводительн ость g
является функцией следующих параметров:
географической и климатических характеристик (φ,
Н, t нв); характеристик солнечного коллектора (UL,
(τα), Fr, ε); режимных параметров (tг, tх, g);
параметров системы (ε1, V a, f).
Характеристики ГКУ различных к онструкций
обобщены в трех типах - I, II, III, которые
используются при нахождении удельной годовой
теплопроизводительности ССТ q, и приведены в
[5].
В нашем случае ГКУ относится к II виду
гелиоколлекторов. Для ССТ ре комендуется
применять одностекольный с елективный
коллектор (тип II) и двухстекольный
неселективный коллектор (тип III). Для систем ГВС
- одностекольные коллекторы (типов I, II).
Принципиальная схема системы солнечного
теплоснабжения приведена на рис. 1 и
предусматривает работу установки в разл ичных
режимах теплоснабжения.
Основным параметром ССТ является годовая
удельная теплопроизводительность, определяемая
из уравнения
q = а + b·(I - 1000), кВт · ч/м 2 , (4)

где I - среднегодовая суммарная солнечная
радиация на горизонтальную поверхность, кВт ·
ч/м 2 ; находится из [5] для г. Сочи, I=1365 кВт · ч/м
2 ; а, b - параметры, определяемые из уравнения (4)
и (5)

a = (α1+α2r+α3r2) + (α4+α5r+α6r2)f + (α7+α8r +α9r2)f2; (5)
b = (β1+β2r +β3r2)+(β4+β5r + β6r2)f + (β7+β8r+β9r 2)f2; (6)

где r - характеристика теплоизолирующих
свойств ограждающих конструкций здания при
фиксированном значении нагрузки ГВС,
представляет собой отношение суточной нагрузки
отопления при температуре наружного воздуха
равной 0 °С к сут очной на грузке ГВС. Чем больше
r, тем больше доля отопительной нагрузки по
сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее
совершенной является конструкция здания с точки
зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при
расчете только системы ГВС.
Определ им парам етры а и b:
а = (607,0 -1340+1900) = 1167;
b = (1,177 -2,6+3,35) = 1,927.
α1 ... α9; β1 .... β9 - коэффициенты, находятся
из табл. 2 и 3;
Таблица 2
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ А Α ДЛЯ ГКУ II И III ТИПОВ
Тип
коллектора
Значения коэффициентов
α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7 α8 α9
II 607,0 -80,0 -3,0 -1340,0 437,5 22,5 1900,0 -1125,0 25,0
III 298,0 148,5 -61,5 150,0 1112,0 337,5 -700,0 1725,0 -775,0

36 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
Таблица 3
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ А Β ДЛЯ ГКУ II И III ТИПОВ
Тип
коллектора
Значения коэффициентов
β1 β2 β3 β4 β5 β6 β7 β8 β9
II 1,177 -0,496 0,140 -2,6 3,6 -0,995 3,350 -5,05 1,400
III 1,062 -0,434 0,158 -2,465 2,958 -1,088 3,550 -4,475 1,775
Уравнение (4) применимо при использовании
схемы, приведенной на (рисунок 3).

Рисунок 3. Принципиальная схема системы солне чного горячего водоснабжения

Уравнение (4) применимо при значениях: 1050
 I  1900; 1  r  3; 0,2  f  0,4. Общая площадь
поверхности ГКУ находится по формуле
F = Qс/q, м2. (7)
Расчет системы солнечного горячего
водоснабжения (СГВС)
Удельная годов ая теплопроизв одительность
СГВС (схема на рисунке 3) определяется по
формуле
q = а + b(Is - 1050), кВт ч/м 2 (8)
Значения коэффициентов а и b находятся из
табл. 4.
q = 355 + 0,8(136 5 - 1050)=607 кВт·ч/м 2

Таблица 4
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ ОВ А И B В ЗАВИ СИМОСТИ ОТ ТИПА СОЛН ЕЧНОГО
КОЛЛЕКТО РА
Тип коллектора Значения коэффициентов
a b
I 235 0,75
II 355 0,80
Уравнение (8) справедливо при f = 0,5 и
1050  I  1900. Для горячего водоснабжения
найдем удельную годовую производительность
q = а + b·(Is - 1050), кВт · ч /м 2
При других значениях коэффициента
замещения f для рассматриваемых типов
коллекторов I и II з начение удельной годовой
теплопроизводительности q должно быть
увеличено (уменьшено) в соответствии с данными
табл. 4 и определяется по формуле
qi = q·(1 + Δq/100) , кВт · ч/м 2 , (9)
где qi - удельная годовая
теплопроизводительность СГВС при значениях f,
отличных от 0,5;
Δq - изменение годовой удельной
теплопроизводительности СГВС, %.

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 37

Таблица 5
ИЗМЕНЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ У ДЕЛЬНОЙ ГОДОВОЙ ТЕПЛ ОПРОИЗ ВОДИТЕЛЬНОСТИ ΔQ ОТ
ГОДОВОГО ПОСТУПЛЕНИЯ СОЛН ЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ГО РИЗОНТАЛЬНУЮ
ПОВЕРХНОСТЬ H И КОЭФ ФИЦИЕНТА F
Значения H, кВт · ч/м2 Значения Δq, % при
f = 0,3 f = 0,4 f = 0,5 f = 0,6
Менее 1500 +17 +9 0 -10
Более 1500 +10 +5 0 -6
Значение f больше 0,6 достигается при
H≥1700.
Произведен перерасчет солнечного излучения
при падении лучей на наклонную плоскость,
которое характеризуется коэффициентами
расположения солнечного коллектора для прямой
Ps и Pg наклонной радиации [2].
Коэффи циент расположени я солнечного
колл ектора для прямой радиации Ps является
функцией широты местности φ=43.59º для города
Сочи, угла наклона коллектора β, угла склонения
Солнца δ, который в свою очередь зависит от
времени. Коэффициент расположения солнечного
коллектора для ра ссеянной радиации определяется
по уравнению
������= ��� 2������
2 (10)
где β – угол наклона солнечного коллектора к
горизонту 45 º. Тогда
�������= ��� 245 ,02
2 = 0,75
�������= ��� 245
2 = 0,76
Угол β рекомендуется принимать равным
широте мес тности, β = φ для круглогодично
работающих систе м и β = φ - 15º для систем,
работающих в летний период.
Интенсивность падающей солнечной
радиации для каждого светового дня определяется
по выражению
�= �������·�������+�������·������� (11)
где (Is) -в вер хней строчке пр ямая
интенсивность; 1365 кВт·ч/м2 ; (Ig). – в нижней
строчке рассеянная интенсивность 1099 кВт·ч/м2
тогда
�= 0,96 ·1365 +0,76 ·1099 = 1310 +835 ,24
= 2145 ,24 кВт ·ч/м2 в год

Рассчитаем интенсивность солнечного
излучения в самый холодный месяц и самый
теплый по [5]
За январь, где Is=37 кВт·ч/м2;
где Ig =65,8 кВт·ч/м 2
�я= 0,96 ·37 +0,76 ·65 ,8= 85 ,53 кВт ·ч/м2
За июль, где Is=206,8 кВт·ч/м2;
Ig=95,78 кВт·ч/м 2
�и= 0,96 ·206 ,8+0,76 ·95 ,78
= 271 ,32 кВт ·ч/м2
Интенсивность солнечного излучения qi
меняется в течение года. Поэтому КПД установки
тоже будет изменяться. КПД установки
определяется по выражению [8]
= 0,8(�−8���
� ) (12)
где θ – приведенная оптическая
характеристика ГКУ, принимае тся для
одностекольных коллекторов θ = 0,73 [6], для
двухстекольных θ = 0,63 [6]; k – приведенный
коэффициен т теплопередачи солнечного
коллектора, для одностекольных – k = 8 Вт/(м2·К),
для двухстекольных – k = 5 Вт/(м2·К) [6] ; Δt –
разность между средней температурой нагреваемой
воды и средней температурой наружного воздуха.
Найдем температуры теплоносителя на входе и на
выходе коллектора с учетом внешней температуры
среды ;
�1= ��+5; �2= �г+5 (13)
где t х и t г – температура воды на входе и на
выходе из коллектора;
tх=10ºС; t г=70ºС, тогда t 1=15 ºС; t 2=75 ºС; �нср =
7,4 ºС
Тогда разность средней температуры
теплоносителя и средней дневной температуры
наружного воздуха составит
∆�= 0,5∙(�1−�2)−�нср
∆�= 22 ,6 �� (14)
Произведен расчет КПД гелиоколлектора в
зимний период (январь)
�= 0,8(0,7−8���
� )
�= 0,8(0,7−8∙8∙22 ,6
85530 )= 0,55
Произведем расчет КПД коллектора в летний
период (июнь)
tх=17ºС; t г=100ºС, тогда t 1=15 ºС; t 2=75 ºС;
�нср = 29 ,8 ºС; ∆�=11 ,7 ºС
�= 0,8(0,7−8∙8∙11 ,7
271320 )= 0,56
Общая площадь поверхности солнечных
коллекторов СГВС определяется по формуле
(15)
Экономическая эффективность
Для определения срока экономической
окупаемости гелиоустановок с тепловым дублёром
применяется следующ ая формула:
��� = ( K г - Кт )/( Q · CТ ) (16)
где Q — годовое (сезонное) количество
тепловой энергии, вырабатываемое
гелиоустановкой Q с=0,777 Гкал; K г и К т —
капиталовложения в гелиоустановку и замещаемый

38 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
традиционный энергоисточник К г=1014000 руб. ,
CТ— стоимость замещаемой энергии 1 Гкал=1820
руб., для г. Сочи.
Для гелиоустановок объектов, не требующих
по согласованию с заказчиком жёсткого
поддержания температуры горячей воды и
соответственно дублирования традиционным
энергоисточником (например, д ушев ых баз
отдыха), срок экономической окупаемости может
быть рассчитан по формуле
��� = ����∙ ������� (17)
Результаты экономических расчётов
гелиоустановок целесообразно, как показано в [7],
дополнять в ряде случаев расчётами сроков
энер гетической окупаемости, когда
сопоставляются количества энергии,
вырабатываемой гелиоустановкой и затрачиваемой
на производств о материалов и её монтаж. Формулы
(15) и (16) приведены для условий отсутствия
процентной ставки за банковский кредит, при
наличии которой формула (18) (по аналогии с
методикой доктора технических наук В. Г.
Гагарина [6] приобретает вид:
(18)
где П — годовая процентная ставка за кредит;
11%. Тогда
В энергетике оптимальный срок окупаемости
составляет от 5 до 7 лет, в нашем сл уча е
окупаемость удовлетворяет данным показателям.
По провиденным расчетам, КПД установки
составило за самый холодный месяц в год у η=0,55;
а за теплый период η=0,56, КПД можно увеличить
если в расчете учесть еще электрический модуль
для производства электриче ства. По сроку
окупаемости который составил один год. При
наладке и окупаемость может быть
скорректирована, на увеличение еще на год, с
учетом испытаний ГКУ может составить 2 год для
данного здания СМиТ в г. Сочи. В среднем время
окупаемости в энергетики с оставляет 5 -7 лет.
Гибридный солнечный коллектор
Применение гибридных установок для
выработки электрической и тепловой энергии ранее
уже рассматривалось в исследованиях ученых
(например, ВИЭСХ г. Москва[5]), однако
конструктивно гелиоколлекторные установки
(ГКУ) разрабатывались в разделенных корпусах,
что снижало их общую эффективность.
Основными особенностями, которыми
характери зуется разрабатываемая
комбинированная ГКУ, являются:
• Единый конструктив: сэндвич -панель,
состоящая из солнечного и гелиоколлек торного
элементов для генерации электрической и тепловой
энергии соответственно. При этом гелиоколлектор,
кроме основной функц ии, выполняет функцию
эффективного охладителя солнечной панели, что
повышает ее надежность и увеличивает срок
службы, а солнечная панель в свою очередь
повышает КПД гелиоколлектора, отдавая в него
дополнительное
• За счет единого конструктива и совмещения
солнечной и гелилоколлекторной панелей
достигается сокращение занимаемой площади на
кровле, снижение ветровых нагрузок и как
следс твие нагрузки на саму кровлю.
• Использование солнечной инфракрасной
батареи позволяет увеличить ее КПД за счет
генерации эле ктроэнергии не только от видимой
части солнечного спектра, но и от инфракрасной
области.
• Применение ГКУ позволяет экономить
эне ргетические ресурсы на освещение до 50 % и
локально организовать горячее водоснабжение
здания.
• Одна панель ГКУ (рисунок 4), при
габаритных размерах 1910х1073х55 мм, позволяет
вырабатывать электрическую мощность до 135 Вт,
тепловую мощность до 700 Вт.

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 39

Рисунок 4. Внешний вид панели комбинированной ГКУ

Предполагается установить ГКУ на кровле
(полукругом, по ходу движения солнца) в два ряда
на расстоянии 1,9 м между рядами, с углом наклона
панелей к горизонту - 45º. Такое расположение
(рисунок 5) являе тся оптимальным с точки зрения
заполнения площади кров ли, не позволяет затенять
ГКУ собственными конструкциями и обеспечивает
максимальную инсоляцию в соответствии с
рекомендациями [1,2,4,5].

Рисунок 5. Расположение комбинированных гелиоколлекторных па нелей
при установке на плоской кровле

Конструктивно система автономного
электрического и теплового энергоснабжения с
использование ГКУ состоит из: ГКУ с баком
теплообменника в защитном корпусе с прозрачным
покрытием и теплоизолирующим слоем,
инвертора, ци ркуляционного насоса, приборов
учета и измерения энергетических параметров,
трубопровода подачи холодной воды в
теплообменный бак, трубопровод отвода горячей
воды из теплообменного бака к системе горячего
водоснабжения.
Холодная вода из системы водоснабж ения
поступает в змеевик, расположенный в
теплообменнике, где нагревается и поступает в
змеевик накопительного бака системы горячего
водоснабжения, отдает свое тепло и снова процесс
повторяется. Полость теплообменника заполнена
незамерзающей жидкостью для пр едотвращения
его повреждения в период низких температур
внешней среды. В период высоких температур, в
случае перегрева теплоносителя, предусмотрен
трубопровод отвода горячей воды из змеевика
теплообменника в систему горячего
водоснабжения.
Для выбора опт им альной конфигурации и
параметров системы автономного
энергосбережения зданий необходимо учитывать,
следующие факторы, влияющие на ее
производительность: климатические особенности
региона, интенсивность солнечного облучения,

40 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
параметры существующей системы
энергоснабжения здания. На основании этих
данных определяется количество и тип
применяемых ГКУ, а так же необходимый набор
приборов учета и контроля параметров ГКУ.

Список литературы:
1. Опыт использования НВИЭ в
рекреационном регионе г. Сочи/ П. В. Сади лов, В.
А. Леонов, К. А. Глазов и др. — В кн.:
Нетрадиционные и возобновляемые источники в
XXI веке: Материалы Международного
научнотехнического семинара. Сочи: РИО СГУТ и
КД, 2001.
2. Амерханов Р.А., Гарькавый К.А., Трубилин
А.И. Необходимость решения пр об лем экономии
энергетических ресурсов путем использования
современных энергосберегающих технологий /
Труды Кубанского госагроуниверситета, Выпуск
№ 3 (36). - Краснодар: КубГАУ, 2012. ISBN 5 -
94672 -211 -5. С. 281 -283.
3. Гончаров С. В., Чернявский А. А.
Пе рспективы использования солнечной энергии в
Российской Федерации. — Энергетическая
политика, 2001, Вып. 3 – С. 51 -59
4. ГОСТ Р ИСО/ТО 10217 -2010 Энергия
солнечная. Системы для подогрева воды.
Руководство по выбору материалов с учетом
внутренней коррозии в веден. 23 декабря 2010 г.,С.
6
5. РД 34.20.115 -90. Методические указания по
расчёту и проектированию систем солнечного
теплоснабжения. — М.: Минэнерго СССР, 1990.
Стр. 28
6. Гагарин В. Г. Об окупаемости затрат на
повышение теплозащиты ограждающих
констру кц ий зданий. — Новости теплосбережения,
2002, № 1. С. 3
7. Бутузов В. А. Анализ энергетических и
экономических показателей гелиоустановок
горячего водоснабжения. — Промышленная
энергетика. 2001. № 10. С. 54 -61

ENERGY SUPPLY OF AN ADMINISTRATIVE BUILDI NG UNDER USING THE SOL AR
ENERGETIC INSTALLATI ON

Amerkhanov Robert Alexandrovich
Doctor of Engineering, professor,
chair of electric technology, heat technology and renewable sources of energy
FSBEI HE «Kuban State Agrarian University named after I.T.Trubili n»,
Krasnodar, Russia
Armaganyan Edgar Garrievich
postgraduate,
chair of electric technology, heat technology and renewable sources of energy
FSBEI HE «Kuban State Agrarian University named after I.T.Trubilin»,
Krasnodar, Russia
Dvorniy Vladimir Viktorov ich
postgraduate,
chair of electric technology, heat technology and renewable sources of energy
FSBEI HE «Kuban State Agrarian University name d after I.T.Trubilin»,
Krasnodar, Russia

Abstract . The analysis of the efficiency of the solar power plant for integrated power supply on the example
of the building of mechanization and transport service (MTS) of the branch of PJSC “Kubanenergo” of the S ochi
electric network in Sochi, provided partial replacement of energy received from existing networks of centra lized
heat and power supply. The calculation of parameters of heat and hot water supply system for a building MTS was
made. There was estimated the economic feasibility of using agg hybrid solar power plant for integrated power
supply of an administrative building in climatic conditions of Sochi.
Keywords: renewable energy sources, solar energy, hybrid solar collector, energy supply, energy saving .

Introduction
Rising energy prices are forcing consumers to find
alternative sources of heat and electricity, one of which
is solar energy, which can be converted into a used by
a man form with the help of solar collectors and
photovoltaic panels.
The economic feasibility of construction of a solar
power supply system is mainly determined by costs of
equipment an d renewable energy.
The analysis of efficiency of solar energy system
for integrated power supply is ma de on the example of
the construction of mechanization and transport service
(MTS) of the branch of PJSC “Kubanenergo” of Sochi
electric networks, the ap pearance of which is shown in
Figure 1, it operates under the partial replacement of
energy received fr om existing networks of centralized
heat and power supply.