РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА СИСТЕМЫ «ТЕПЛОВОЙ НАСОС — ВЕТРОГЕНЕРАТОР — ФОТОЭЛЕМЕНТЫ»

Грачёв Иван Николаевич

аспирант кафедры механики многофазных систем, Тюменский Государственный Университет, г. Тюмень

E-mail: gautier.jean1989@gmail.com

Постоянно растущее увеличение объёмов добычи традиционных источников энергии, повсеместное формирование и развитие систем сжигания углеводородов, привели к возникновению не только очагов неблагополучной экологической ситуации в густонаселённых районах, но и к формированию высоких цен на традиционные энергоносители. Поэтому рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня собой одну из глобальных мировых проблем. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Преимущества этих технологий связаны с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями повышения степени автономности систем жизнеобеспечения.

Для полной автономности систем жизнеобеспечения здания коттеджного типа была предложена система состоящая из теплового насоса и устройства производства электроэнергии. Существует два доступных устройства, основанных на нетрадиционном источнике энергии: ветрогенератор и панели фотоэлементов. Выбор одного из них основан на расчёте энергоэффективности их работы в условиях уральского климата.

Рассматриваемое здание имеет площадь S=120 м² , высоту потолка h=2,5 м и длину сторон здания а=10 м, b=12 м. Предполагается, что имеется система отопления, базирующаяся на циркуляции теплоносителя с температурой около +45°С. Для выбора необходимых комплектующих системы теплоснабжения нужно произвести расчёт энергетических нужд. Если учесть, что тепловые потери здания составляют =0,3 Вт/м²*°С и приходятся на стены и крышу, а минимальная температура в Свердловской области опускается до Т_min=-46°С, при условии поддержания комфортной температуры в помещении T_com=+22°С, то потребляемая пиковая мощность составит:

При подборе комплектующих необходимо ориентироваться именно на значение пиковой мощности, чтобы тепловая мощность теплонасосной станции могла ее покрывать. Выбран тепловой насос Solo 7MR/R, технические характеристики которого представлены ниже.

Тепловой насос характеризуется следующими величинами: СoP — коэффициент эффективности преобразования энергии, Q_F — охлаждающая мощность (извлекаемая энергия), Q_é — потребляемая электрическая мощность. С учётом этого получим Q=Q_F+µQ_é, где µ- КПД компрессора теплового насоса. При условии, что температура воды в системе отопления колеблется в диапазоне от +18°С до +55°С, а температура грунта не опускается ниже -5°С, то в этом случае CoP=3,6, Q_F=5,3 кВт, Q_é=1,47 кВт. [4]

В составе теплонасосной станции в нашей задаче, будет использован коллектор с горизонтально расположенными трубами. Необходимый участок для коллектора теплового насоса определим из следующих соображений. Допустим, что средняя теплопроводность грунта q_E=25 Вт/м²;Q_F=5,3 кВт, тогда требуемая площадь:

Необходимое количество труб (полиэтиленовые трубы DN 25) по 100 м длиной каждая:

 трубы [3]

Рассмотрим работу теплонасосной станции совместно с работой ветрогенератора. Надо учесть, чтобы система теплоснабжения могла функционировать при средней месячной минимальной температуре в течение всего отопительного периода. Для этого необходимо, чтобы электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором, хватало для функционирования теплового насоса. Расчёты энергетического баланса теплонасосная станция — ветрогенератор представлены в таблице 1. Определение мощности ветрогенератора с диаметром лопастей D=3 м был произведен согласно теореме Бетца, которая накладывает ограничения на величину извлекаемой энергии:

, где учтена поправка на 50 % от лимита Бетца [2], связанная с КПД самого механизма и с тем, что воздушный поток не ламинарный.

Таблица 1.

Расчёт энергетического баланса для установки тепловой насос‑ветрогенератор

Как видно из расчётов, сведенных в таблице 1 ([1]), электроэнергии, получаемой от ветрогенератора, вполне достаточно для работы теплонасосной станции, количество вырабатываемой энергии в течении всего отопительного периода практически постоянно, что говорит о надёжности и пригодности использования ветрогенератора для подобных целей.

Рассмотрим работу теплового насоса и панелей фотоэлементов, энергетический баланс которого представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Расчёт энергетического баланса для установки тепловой насос‑фотоэлементы

Согласно полученным данным, в самые холодные месяцы (декабрь и январь) требуется больше всего энергии, но из-за большего количества пасмурных дней мощность инсоляции меньше в 2—3 раза по сравнению с другими месяцами отопительного периода, поэтому для покрытия расходов электроэнергии тепловым насосом в период с декабря по январь необходимо около 180 м² панелей фотоэлементов и 70 м² в остальные месяцы отопительного периода, при условии, что КПД панелей фотоэлементов составляет 12 % [1].

Как известно, работа ветрогенератора и фотоэлементов зависит от погодных условий и для того, чтобы обеспечить непрерывное извлечения низкопотенциальной энергии грунта в течение всего отопительного периода, необходимы аккумуляторные батареи, заряда которых хватало бы для питания тепловой станции. Естественно, должен быть предусмотрен преобразователь постоянного тока в переменный для работы компрессора теплового насоса. В итоге, нами была предложена для решения поставленной задачи следующая система, элементы которой представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Стоимость системы теплоснабжения. [5, 6]

Для производства электроэнергии был выбран ветрогенератор согласно экономическим соображениям, стоимость одного кВт*ч, произведённого ветрогенератором составляет 0,07 € против 0,4 € за кВт*ч произведённого с помощью фотоэлементов.

Рисунок 1. Количество энергии, произведённое в год на м²

Полученная общая стоимость установки 9879 € является инвестицией на 10 лет — это срок службы аккумуляторных батарей и ветрогенератора. За этот период затраты на отопления традиционным способом, на момент написания статьи, составляют 6,07 р за м² и за горячую воду 147,11 р за человека, с учётом ежегодного удорожания отопительных услуг на 20 %, что в итоге даёт 10255 €. Данная система позволяет получать прибыль после 10 лет использования.

Список литературы:

1.         Bernier J. Lа Pompe à chaleur: Déterminer-Installer- Entretenir — Edi.: PYC Livres. Paris, 2004. — Р. 101—103.

2.        Bértz J. P. Les éoliennes — Edi.: Masson. Paris, 2006. — Р. 25—41.

3.        Capliez A. Mémotech Génie énergétique-3ème Edition , Collection: — Edi.: CASTEILLA. Paris, 2003. — Р. 75—76.

4.        Dehausse R., Marchio D. Pompes à chaleur et systèmes apparentés: Techniques de l’ingénieur — Edi.: PYC Livres. Paris, 2004. — Р. 58—59.

5.        http://www.dedietrich-thermique.fr (дата обращения: 08.05.2011)

6.        http://www.energiedouce.com/ (дата обращения: 08.05.2011)