Производство и продажа тепловых насосов

Расчет комплексной системы отопления загородного дома

Расчеты проводились для Новгородской области.

Климатические условия.

Климат умеренно-континентальный, близкий к морскому. Характерно избыточное увлажнение, за год осадков выпадает на 200-400 мм больше, чем может испариться, местность покрыта многочисленными озерами. Количество дней с осадками в среднем 185. Новгородская область лежит на пути движения воздушных масс с запада на восток, на пути атлантических и арктических циклонов. От циклонической деятельности погода зависит во все времена года. Чередование циклонов и антициклонов, частая смена воздушных масс являются причиной непостоянства погоды.

Среднегодовая температура около +5°С.

Мягкая погода зимой связана с преобладанием циклонов, несущих тёплый влажный атлантический воздух.  Когда зимние циклоны повторяются часто, то реки долго не покрываются льдом. Циклоны приносят пасмурную погоду с оттепелями и ветрами. Зимой по утрам часто бывают туманы, от 5 до 15 дней в месяц, пасмурных дней от 10 до 28 в месяц, максимум в декабре.

Сильные морозы до -30°С бывают нечасто, это происходит при вторжении с северо-востока арктического воздуха, а также при восточных антициклонах. Антициклоны приносят морозную, ясную погоду. Холодные зимы происходят в годы со слабой циклонической деятельностью.

В 1987 году была зафиксирована температура -48°С.

Абсолютная минимальная температура по СНиП 23-01-99 для Новгородской области составляет -45°С, температура самых холодных суток -38°С, температура наиболее холодной пятидневки -33°С, среднесуточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного месяца 6,8 градусов. 

Обычно зимой стоит умеренно морозная погода, с температурой воздуха до -12°С. 

Средняя температура января -6°С.

Максимальная глубина промерзания почв достигает 50 см.

Декабрь самый пасмурный месяц, январь и февраль самые холодные месяцы.

Разрушение снежного покрова происходит в конце марта -начале апреля, когда среднесуточная температура поднимается выше 0°С.

В мае среднесуточная температура достигает +10°С.

Лето умеренно прохладное, до +21°С в июле.

В сентябре, как правило, стоит ещё достаточно теплая погода, в октябре температура начинает быстро падать.

В конце октября - начале ноября среднесуточная температура опускается ниже 0°С.

Преобладает пасмурная погода с продолжительными туманами 12-14 дней в месяц.

С конца ноября - начале декабря ложится устойчивый снежный покров.

Продолжительность отопительного сезона.

Расчёт мощности «дежурного» отопления будет производиться не по нормативам СНиП, а из предположения, что зимы достаточно мягкие, до -12°С, необходимая поддерживаемая температура внутри основного помещения составляет +10°С.

Чтобы температура воздуха в доме не опускалась ниже «дежурных» +10°С, отопление должно работать в тот период, когда среднесуточная температура уличного воздуха держится ниже отметки +5°С. Для рассматриваемой местности — это примерно от середины октября и до середины апреля, около 6 месяцев.

Средняя уличная температура этого отопительного периода около -3°С.

Показатель ГСОП (градусо-сутки отопительного периода) за 180 суток составит 2340.

Для сравнения, СНиП указывают норматив ГСОП=5800 для Новгородской области при поддерживаемой температуре внутри помещений +24°С, ГСОП=5400 при +22°С и ГСОП=3600 при +14°С.

Необходимая мощность дежурной системы отопления.

Дом бревенчатый, отапливаемое помещение 58,5 м2, высота потолков 3 м, с трёх сторон находятся смежные неотапливаемые помещения, толщина утеплённых перекрытий 350 мм, снизу подвальное помещение, наверху неотапливаемый этаж.

  • Поддерживаемая температура внутри отапливаемого объёма +10°С, температура на улице -12°С, приблизительная температура смежных неотапливаемых помещений -5°С.
  • Термическое сопротивление деревянных стен, толщиной 150-200 мм, без дополнительного утепления, равно 1,3-1,7 (м2*К) /Вт.
  • Термическое сопротивление двухкамерного стеклопакета 0,5-0,6 (м2*К) /Вт.
  • Термическое сопротивление утеплённых перекрытий 6-6,5 (м2*К) /Вт.
  • Теплопотери с поверхности внешней стены (27 м2) с тремя окнами равны 0,5 кВт.
  • Теплопотери через стены в смежные неотапливаемые помещения (66 м2) 0,7 кВт.
  • Теплопотери через верхнее перекрытие (58,5 м2) 0,2 кВт.
  • Теплопотери через нижнее перекрытие (58,5 м2) 0,1 кВт.
  • Инфильтрация через ограждающие конструкции (30%) 0,5 кВт.

Итого, приблизительные суммарные теплопотери 2,0 кВт.

(для поддерживаемой температуры внутри помещения +10°С, уличной – 12°С).

На 180 суток отопительного периода требуется около 4300 кВт*час тепловой энергии.

Из них приблизительно по 1200 кВт*час в два самых холодных средних зимних месяца, по 300 кВт*час в первый и последний месяцы отопительного сезона и по 650 кВт*час в остальные два. 

Использование ветрогенератора для выработки тепловой энергии.

Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра, при этом зависимость кубическая.

Энергия ветра вычисляется по традиционной формуле кинетической энергии mv2 / 2.

В современных ветряках научились извлекать примерно 40-50% от полной энергии ветра. Теоретический предел для нынешних ветряков составляет 60-65%.

Масса проходящего через ветряк воздуха пропорциональна плотности воздуха, площади ветрового колеса и скорости воздушного потока.

Упрощённая формула для вычисления возможной мощности традиционных ветряков выглядит так:

 P = d2*v3 / 5, 5 

где d – диаметр колеса в метрах, v – скорость ветра м/с, получаемый результат - в ваттах.

В этой формуле заложен КПД редуктора и генератора 85%, КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) 40%, плотность воздуха принята 1,2 кг/м3.

По статистическим метеоданным среднегодовая скорость ветра в Новгородской области на высоте 10 метров составляет 3,4 м/с, максимальная порой достигает 26 м/с, зимой преобладают южные и юго-восточные ветра 3,8 м/с, весной и осенью юго-западные 3,5 м/с, летом южные 3,0 м/с

Если брать для расчёта среднюю зимнюю скорость ветра 3,8 м/с, то для возможности выработки необходимой мощности 2 кВт для обеспечения потребностей самого холодного месяца, понадобится ветроустановка с диаметром лопастей 14 метров или две установки с лопастями по 10 метров или три установки по 8 метров.

Только начиная со 150-160 квадратных метров площади ветряка становится возможным извлечь из имеющегося ветра со скоростью 3,8 м/с необходимые 2 кВт мощности.

При скорости ветра 12 м/с подобная ветроустановка будет вырабатывать более 60 кВт.

При скорости ветра 3,8 м/с ветрогенератор способен дать всего лишь около 3-3,5% от своей номинальной мощности, выдаваемой на скорости 12 м/с.

10 кило ваттный генератор, имеющий 6-ти метровые лопасти, способен при таком ветре всего на 300-350 Вт электрической мощности.

Всё это справедливо в том случае, если средняя скорость ветра в данной местности всегда равна максимальной.  То есть, ветер дует днём и ночью с одной и той же постоянной скоростью. Снимаемая с генератора мощность постоянная, общее количество сгенерированной за месяц энергии равно этой мощности, умноженной на количество часов в месяце.  Генератор работает прямо на потребителя, так как ветер дует всегда, запасать электроэнергию нет необходимости. Такие места на земле редкость, как правило, иногда бывает и безветренная погода, в остальные дни ветер более сильный, относительно своего среднего статистического значения.

Так, как зависимость кинетической энергии ветра пропорциональна кубу скорости воздуха, то в том случае, когда половину месяца ветра нет, а другую часть месяца ветер дует с удвоенной силой, общее количество сгенерированной ветрогенератором энергии за полмесяца будет в 4 раза больше, чем за целый месяц в предыдущем случае. Если две трети месяца ветра совсем нет, а одну треть месяца ветер дует с утроенной силой, то средняя скорость ветра останется на прежнем уровне, но суммарное возможное количество сгенерированной ветрогенератором энергии только за эти 10 дней будет в 9 раз больше, чем за весь первоначальный месяц. Это позволяет применять ветрогенераторы с лопастями значительно меньшего размера, чтобы собрать нужное количество месячной энергии, но в то же время, непостоянство ветров заставляет использовать накопители энергии. Если ветра нет неделями, то и аккумулятор должен быть соответствующей ёмкости. А если ветреная погода регулярно, скажем через день, чередуется с безветренной, то необходимая ёмкость аккумуляторов может быть достаточной на день-другой.

Десятилетние наблюдения за ветром в данной местности (более подробные данные по временному распределению скорости ветра в приложении):

Среднемесячная скорость ветра на высоте 50 м над поверхностью земли (м / с)

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Годовой 
Средняя

Средняя 10-летний

3.89

3.79

3.79

3,84

3.69

3.58

3.63

3.67

3.93

3.99

3.69

3.75

3.76


Ёмкость аккумуляторов и диаметр лопастей ветрогенератора подбирают на основании собственных наблюдений или статистических данных ближайшей метеостанции.

Стоит также учесть, что при дожде и снеге выработка ветряка падает на 10-30%.

В нашем случае, если предположить, что максимальная скорость ветра в 3 раза больше заявленной средней 3,8 м/с, то для генерации 1200-1400 квт часов в месяц потребуется не -14 метровый ветряк, а 5-6-ти метровый номинальной мощностью 6-9 кВт.

Если максимальная скорость ветра в 2 раза выше средней, то потребуется 7-8 метровый ветряк, способный от ветра 6-7,5 м/с обеспечить выработку 4-5 кВт мощности для   работы отопления и одновременной зарядки аккумуляторов.

Соответственно, общая ёмкость аккумуляторов должна обеспечивать электропитанием оборудование во время безветрия. Один 12 вольтовой аккумулятор ёмкостью 200 Ah позволяет запасти 2,4 кВт*час энергии. При мощности потребителей 2 кВт и 10-15 часовом безветрии требуется батарея, как минимум из 12-16 подобных аккумуляторов. А с учётом недопустимости глубокого разряда аккумуляторов, необходимо ещё большее их количество в батарее.

Для минимизации риска остаться без энергии в безветренную погоду, в системах автономного энергоснабжения целесообразно использовать и другие источники энергии.

Можно дополнительно подстраховаться на случай отсутствия ветра с помощью солнечных электрических панелей для выработки электроэнергии и солнечных коллекторов для выработки тепловой энергии.

Резервный электрогенератор на жидком топливе на крайний случай.

Возможность использования солнечной энергии.

В данной местности солнечной генерации нельзя отдать явное предпочтение по причине частой пасмурной и туманной погоды в осенне-зимнее время. Данные наблюдений за последние 22 года дают следующие данные с учётом погодных явлений – в ноябре на квадратный метр поверхности суммарно выпадает в среднем 1,4 кВт*час солнечного излучения в сутки, в декабре 0,95 кВт*час в сутки, в январе 1,4 кВт*час в сутки, в феврале 2,43 квт*час в сутки, в марте 3,56 кВт*час в сутки.

В декабре солнца мало совсем, однако в более холодные месяцы, в январе-феврале, даже учитывая потребность отопления в 48 кВт*час в сутки, солнечные вакуумные коллекторы площадью 10-15 м2 (с учётом КПД) могут дать 20-30% необходимой мощности.

Среднемесячное радиационное излучение на поверхности, наклоненной в поверхности (кВт / м 2 / день)

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Годовой 
Средняя

Прямой

1.24

2.21

3.28

3.93

4.67

4.58

4.64

3,78

2.67

1.86

1.26

0.89

2.92

Наклон 0

0,57

1.34

2.57

3,82

5.05

5.25

5.13

4.09

2.48

1.34

0.67

0,35

2.73

Наклон 42

1.26

2.29

3.53

4.35

5.05

4.93

4.94

4.34

3.08

2.03

1.29

0.82

3.16

Наклон 57

1.39

2.42

3.56

4.16

4.62

4.48

4.50

4.08

3.03

2.10

1.40

0.91

3.06

Наклон 72

1.44

2.43

3.41

3,78

4.10

3.92

3.96

3.67

2.84

2.06

1.44

0,95

2.84

Наклон 90

1.39

2.26

3.02

3.14

3.26

3.06

3.11

3.00

2.44

1.88

1.37

0.93

2.41

ОПТ

1.44

2.44

3.57

4.37

5.28

5.33

5.24

4.42

3.08

2.10

1.44

0,96

3.31

ОПТ ANG

74,0

65,0

52,0

35,0

21,0

12,0

15,0

28,0

44,0

59,0

71,0

76,0

45,9

Применение теплового насоса для снижения необходимой генерации электроэнергии.

Для работы системы отопления от ветрогенератора требуется выработка 1200-1300 кВт*час электроэнергии в январе-феврале с пиковой мощность генератора до 5 кВт из-за неравномерности ветров, с возможностью накопления энергии в батарее аккумуляторов. Также требуется по 600-700 кВт*час в декабре и марте. С помощью теплового насоса возможно снизить потребление электроэнергии в 4 раза, с соответствующим снижением необходимой мощности ветрогенератора. Также снизится в 4 раза мощность преобразователя частоты и контроллера заряда аккумуляторов, и снизится необходимая ёмкость аккумуляторных батарей.

Тепловой насос следует использовать грунт-воздух, обеспечивающий стабильность своих параметров, независимо от уличной температуры, номинальной тепловой мощностью 2-3 кВт, потребление компрессора 0,5-0,7 кВт, с плавным пуском. В качестве низко потенциального источника тепла смонтировать гликолевый U образный грунтовый контур, вертикального типа, глубиной 60 метров или 2 х 30 метров.

Внутри помещения установить фанкойл, управление по датчику внутренней температуры.  

Рекомендации по использования теплоисточников:

  • Оптимально использование теплового насоса тепловой мощностью 2-3 кВт, с потреблением 0,5-0,7 кВт и плавным пуском с частотным управлением. Для его функционирования потребуется 300-400 кВт*час электроэнергии в месяц.
  • Аккумуляторная батарея из 16 аккумуляторов 12 V 200 Ah, общей ёмкостью 800 Ah 48 V, способная запасать 38 кВт*час для автономной работы теплового насоса и функционирования сопутствующего оборудования в течении 2 суток. Необходимое время автономии следует уточнить.
  • Ветрогенератор для выработки электроэнергии, 3х фазный 48 V с инвертором соответствующей мощности. Неравномерность ветров следует уточнить на местности с корректировкой запаса ветрогенератора по мощности.
  • Ориентировочная требуемая мощность для одновременной зарядки аккумулятора и питания теплового насоса 1,5 кВт на ветре 7 м/с при среднемесячных показателях скорости ветра 3,8 м/с.
  • Диаметр лопастей 5-6 метров, номинальная мощность 7-9 кВт при ветре 12 м/с.
  • Генерация до 500 кВт*час электроэнергии в месяц за 350-400 ветренных часов в месяц.
  • Также возможно применение солнечных коллекторов (вакуумных) для подстраховки системы отопления в безветренную погоду или при нехватке электроэнергии.
  • Дополнительно потребуется гликолевый теплоаккумулятор и жидкостный фанкойл.