Оптимизация работы теплового насоса с фотоэлектрическим приводом для домов с плохой теплоизоляцией
Купить АКБ FIAMM 12 FLB 400 P
Китайские исследователи предложили проект модернизации традиционных домов на западном плато Сычуань с почти нулевым энергопотреблением, сочетающий в себе фотоэлектрическую систему на крыше и тепловой насос с воздушным источником тепла. Система может обеспечить зимнее отопление при площади фотоэлектрических панелей 61 м² и окупиться примерно за 14 лет.
Традиционные жилища в тибетском автономном округе Гардзе-Тибет в Китае
Исследовательская группа из Китая предложила стратегию модернизации традиционных жилищ на западном плато Сычуань с почти нулевым энергопотреблением, сочетающую фотоэлектрическую систему на крыше с тепловым насосом.
По словам исследователей, большая высота над уровнем моря, низкие температуры окружающей среды и интенсивное солнечное излучение делают этот регион подходящим для такого подхода, в то время как традиционные дома здесь обычно потребляют много энергии и не обеспечивают достаточный тепловой комфорт в зимний отопительный сезон.
«Эти здания являются воплощением исторических и культурных ценностей и представляют собой важный компонент сельского архитектурного наследия, — заявили ученые. — В большинстве этих домов используются каменно-деревянные конструкции с толстыми стенами, но недостаточной теплоизоляцией, что приводит к ухудшению микроклимата в помещениях зимой». Отопление обычно обеспечивается за счет сжигания дров или угля, что не только демонстрирует низкую энергоэффективность, но и вызывает загрязнение воздуха и оказывает негативное воздействие на окружающую среду ”.
В качестве объекта исследования ученые выбрали традиционное жилище в деревне Чжибо, Маерканг. Трехэтажный дом из камня и дерева имеет общую площадь около 399 м², высоту 9,6 метра, стены толщиной 400 мм и крышу, покрытую шифером. Отношение площади окон к площади стен составляет 11 % на южном фасаде и 8 % на западном.
В Маерканге преобладает высокогорный континентальный муссонный климат с продолжительными холодными зимами и более чем 120 морозными днями в году. Средняя температура января колеблется от -6 °C до -3 °C, а ночью может опускаться ниже -10 °C. В этом районе более 2000 солнечных часов в году и около 3700 МДж/м² солнечной радиации.
Исследователи воссоздали здание, выбранное для исследования, в программах AutoCAD и SketchUp, а затем импортировали 3D-модель в Sware, чтобы смоделировать тепловую среду внутри здания и потребность в отоплении. Они установили целевую температуру внутри здания на уровне 16 °C в отопительный сезон, а кратность воздухообмена — на уровне 0,5. Затем они провели почасовое моделирование, чтобы рассчитать годовое энергопотребление и зимние тепловые нагрузки.
Ученые пересчитали рассчитанную тепловую нагрузку в количество электроэнергии, необходимое для настенного низкотемпературного теплового насоса. Они исходили из того, что сезонный коэффициент полезного действия (КПД) составляет 2,54, а тепловой насос способен подавать воду температурой выше 45 °C при температуре окружающей среды -15 °C.
Затем они ввели рассчитанную потребность в электроэнергии в программу PVsyst, чтобы оптимизировать ориентацию, угол наклона и размер фотоэлектрической панели. Предлагаемая система включает в себя 61 м² двусторонних солнечных модулей с гетеропереходом (HJT) и двойным остеклением мощностью 745 Вт.
Моделирование показало, что общая потребность в отоплении за зимний отопительный сезон составляет 15 670,9 кВт·ч, что соответствует потреблению электроэнергии в размере 6162,2 кВт·ч для теплового насоса.
Исследователи выяснили, что угол наклона в 40 градусов оптимален для достижения нулевого энергопотребления при отоплении. Они определили, что оптимальная площадь для установки солнечных панелей на крыше составляет 61 м², что эквивалентно 15,2 % от общей площади крыши здания. «При использовании 210-миллиметровых двусторонних модулей с гетеропереходом (HJT) и коэффициентом преобразования до 24 % требуется площадь всего 61 м2». Это составляет всего 95,2 % от общей доступной площади крыши, что свидетельствует о том, что практически нулевое энергопотребление может быть достигнуто без чрезмерных изменений в традиционной конструкции здания», — подчеркнули они.
«Общая стоимость предлагаемой системы (включая модули и установку) составляет примерно 29 800 юаней (4437 долларов США), что составляет всего 19,2% годового располагаемого дохода местного сельского домохозяйства, — добавили исследователи. — При сроке окупаемости инвестиций примерно в 14 лет (исходя из местных цен на электроэнергию в размере 0,52 юаня за кВт·ч и ежегодной экономии в размере 3624 юаней) эта схема оказывается финансово доступной для жителей».
Статья «Инновационное фотоэлектрическое отопление традиционных этнических жилищ с целью перехода к почти нулевому энергопотреблению на Тибетском нагорье» была опубликована в журнале Case Studies in Thermal Engineering. В исследовании приняли участие ученые из Юго-Западного университета национальностей Китая, Сычуаньского университета и Университета Тунцзи. «Результаты этого исследования содержат полезные методологические рекомендации и предварительные проектные решения для внедрения отопления с практически нулевым энергопотреблением в аналогичных сельских районах. Однако прежде чем применять их повсеместно, необходимо внести коррективы с учетом особенностей конкретного объекта и провести дополнительную проверку», — заключили ученые.