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):

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.

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.