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.
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 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 |
|
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: