Ветряк для отопления и его принцип действия

Обновлено: 8 января 2021

Обогрев дома — сложная и очень ответственная задача. Расходы на отопление составляют большую часть от всех выплат, и возможность в какой-либо степени снизить их является весьма ценной для владельца дома. Тем более привлекательна возможность организовать отопление в автономном режиме, опираясь только на собственные ресурсы. Такие возможности существуют, хотя для их воплощения необходимо приложить определенные усилия. Рассмотрим вопрос подробнее.

Отопление ветром

Один из способов обогрева дома — радиаторные батареи, распределенные по всему дому и питаемые от источника из сети ЦО или от собственного котла. Нагрев теплоносителя производится в газовых или твердотопливных котлах, иногда используются и электрические нагреватели, но такой способ считается временным или дополнительным, используемым в крайнем случае. Причина такого отношения — дороговизна электроэнергии, которой уходит на подогрев теплоносителя очень много.

При этом, если создать систему, позволяющую вырабатывать собственное электричество, то ситуация в корне меняется. Газ, уголь или иное топливо надо покупать, его невозможно сделать самостоятельно. Электроэнергия — особый вид, ее можно производить самому.

Наиболее распространенными способами являются бензиновые или дизельные генераторы, а в последнее время популярность набирают ветрогенераторы. Они производят энергию, которая используется для нагрева теплоносителя, обеспечивающего обогрев дома. Таким образом, температура в помещениях поддерживается при помощи ветра, что звучит несколько фантастически, но вполне реально.

Принцип действия ветрогенератора

Ветрогенератор — устройство, использующее ветровые потоки для вращения вала, который соединен с генератором электрического тока. Существуют два основных вида ветряков:

Горизонтальные конструкции имеют более высокую эффективность, меньшее сопротивление вращению и большую стабильность в работе. При этом, они требовательны к углу атаки ветра на лопасти, что вынуждает создавать устройство наведения на поток (типа флюгера). Кроме того, горизонтальные ветряки нуждаются в подъеме конструкции над землей, причем, чем выше, тем лучше.

Вертикальные роторы (так называется вращающаяся часть ветрогенератора) не зависят от направления ветра, одинаково реагируя на поток с любой стороны. Они очень нетребовательны в обслуживании, точнее, практически не нуждаются в нем. При этом, вертикальные роторы нуждаются в довольно сильном ветре, многие из них «залипают» на слабых потоках и не хотят начинать вращение.

Вращение ротора передается на генератор напрямую или через мультипликатор (редуктор), увеличивающий число оборотов вала. Генератор при вращении вырабатывает электроток, от которого через выпрямитель заряжаются аккумуляторы. С аккумуляторов напряжение подается на инвертор, перерабатывающий постоянный ток в переменный трех- или однофазный с привычными параметрами (220 В или 380 В, 50 Гц). Такая сложная схема используется потому, что вращение ветряка — процесс нестабильный, зависимый от скорости и силы ветра.

Подавать напряжение с генератора напрямую потребителям нельзя, так как оно скачет то к максимуму, то опускается до нуля. Поэтому используется накопитель в виде аккумуляторных батарей, который передает свой заряд на инвертор, выдающий стабильное и одинаковое напряжение.

Схема отопления дома при помощи ветрогенератора

Схема отопления мало отличается от обычной, используемой при использовании собственного котла. Разница лишь в способе нагрева теплоносителя. Нужна емкость, в которой нагревается теплоноситель (вода), соединенная с отопительной системой дома. Самый простой способ — использование температурного подъема воды (гравитационный метод). Горячая вода поднимается вверх, проходит по радиаторам, отдает тепловую энергию и, остывая, возвращается в емкость для повторного нагрева.

Такой метод не требует наличия сложных устройств, но естественная циркуляция — процесс неустойчивый, при некоторых изменениях температур он может прекратиться. Для обеспечения равномерности циркуляции используются насосы, устанавливающие в системе определенное циркуляционное давление и скорость движения теплоносителя. Это делает систему более требовательной к нагреву, точнее, к стабильности температуры теплоносителя.

Подача электроэнергии для отопления должна быть максимально непрерывной. Это еще одна причина использования аккумуляторов и инверторов, позволяющих во время спадания ветра обеспечивать подачу тока на нагреватели. Таким образом, схема проста: ветрогенератор — нагреватели воды — система отопления дома.

Для обеспечения стабильности и непрерывности отопления надо иметь резервный источник нагрева — твердотопливный котел, бензогенератор и т.п.

Как рассчитать теплопотери дома

Теплопотери дома — это величина, тождественная необходимому количеству энергии, затраченной на нагрев. Иными словами, для того, чтобы узнать мощность источника тепла, надо определить теплопотери. Они рассчитываются по формуле:

Q = S ∙ dT / R

• Где Q — величина теплопотерь
• S — площадь ограждающих конструкций дома (имеются в виду все конструкции, включая стены, полы, потолки, окна и двери)
• dT — разница температуры внутри помещения и снаружи. Например, если внутри +20°, а снаружи — -20°, то dT будет составлять 40°.
• R — тепловое сопротивление конструкции, определяется по таблицам СНиП или определяется самостоятельно.

Для расчета теплопотерь надо вычислить по отдельности их значение для стен, потолка и пола, окон и т.д. Сумма полученных значений покажет общие теплопотери дома, определяющие мощность нагревателя. Это означает, что водонагреватели, осуществляющие подготовку теплоносителя, должны иметь суммарную мощность, равную значению теплопотерь.

На практике мощность нагревателей принимается с некоторым запасом, необходимым на случай сильных морозов. Кроме того, со временем нагреватели начинают терять свои качества, поэтому надо заранее предвидеть эту ситуацию и устанавливать более мощные устройства. Потребуется также блок управления, позволяющий регулировать температуру нагрева, чтобы имелась возможность изменять режим отопления соответственно с температурой наружного воздуха.

Подбор мощности ветряка

КПД нагревателей воды — ТЭНов — равен 100%. Это облегчает подбор мощности ветряка, который должен обеспечивать напряжение и силу тока, достаточные для питания ТЭНов и соответствующие их мощности. Поэтому, рассчитывая теплопотери дома, мы, по сути, одновременно рассчитываем мощности ТЭНов и ветрогенератора. При расчетах обязательно на каждой позиции делать запас мощности, который поможет корректировать ошибки, допущенные при расчетах или спад параметров, произошедший оттого, что попалось некачественное оборудование.

Следует также учитывать, что размеры и объемы дома могут однажды увеличиться, что потребует одновременной замены нагревателей или всей системы. Эту проблему можно в какой-то степени решить заранее, увеличив мощность системы и эксплуатируя ее в режиме, несколько сниженном по сравнению с номиналом.

Кроме того, надо помнить о необходимости полного соответствия всех узлов системы — аккумуляторов, инвертора, контроллера и т.д. Все они должны подходить друг к другу по своим характеристикам, поскольку мощность системы равна мощности самого слабого элемента. Единственный прибор, неподходящий к остальным узлам, создает ситуацию, когда качественное оборудование не в состоянии выдавать номинальные показатели. Поэтому подбором только лишь генератора дело не окончится, надо с одинаковой тщательностью составить весь комплект приборов и устройств.

Отапливание дома самодельной ветряной установкой

Наш заголовок — не шутка и не опечатка. Ветер действительно может обогреть жилище. Правда, для этого потребуется собрать ветряной генератор, об этом и пойдет наш рассказ.

Взгляните на схему. Электрическая энергия, выработанная вращающимся ветряком, с генератора поступает непосредственно на электронагреватели, напоминающие всем известные кипятильники. Они встроены в корпус теплового аккумулятора — большого теплоизолированного бака, наполненного водой. Нагрев воды происходит непрерывно, пока работает генератор: чем сильнее ветер, тем больше ток и соответственно больше тепловой энергии.

Таков вкратце принцип работы системы.

Наш самодельный тепловой аккумулятор связан с обычной системой водяного отопления дома. Поскольку емкость аккумулятора велика, поступление тепла в батареи будет стабильным. А чтобы у аккумулятора не было лишних потерь энергии, он запакован, словно в шубу, в теплоизоляционный материал.

Для регулирования и перераспределения теплового потока служат краны-регуляторы. Ушли на работу люди — можно краны немного прикрыть, чтобы тепла в аккумуляторе накопилось к их приходу побольше.

Вода перемещается по трубам самотеком: ведь теплая вода имеет меньшую плотность, чем холодная, и поэтому она поднимается вверх. А более плотная холодная вода опускается вниз, попадает через нижнюю трубу в аккумулятор, и все начинается сначала. Хотя, конечно, никакого «начала» или «конца» тут нет, а есть лишь постоянное конвекционное движение теплоносителя.

Итак, теоретическая картина ясна. Остается построить установку? Не спешите, сначала нужно рассчитать необходимую мощность генератора. Он должен быть тем мощнее, чем больше теплопотери дома, который мы собираемся обогревать.

Эти теплопотери рассчитываются по формуле: Q = Vq_o(t_bh —t_ар)n, где V — объем здания (м 3 ), t_bh — минимально допустимая температура воздуха в помещении, равная 18°С, (t_нар — минимальная температура наружного воздуха для данного района; q_o — объемная теплоемкость здания, для одноэтажных домов принимаемая равной 0,81 Вт/м 3 °С; n— безразмерный поправочный коэффициент на климатические условия, принимаемый равным при t_нар: — больше или равно —10°С. 1,2; — больше или равно —20°С. 1,1; — больше или равно —30°С. 1,0; — больше или равно —40°С . 0,9.

На рисунке: 1 — ротор; 2 — короткие растяжки; 3 — узел подшипника; Л — ось ротора; 5 — повышающий редуктор; 6 — длинные растяжки; 7 — вышка; 8 — генератор; 9 — расширительный бачок; 10 — батареи; 11 — обратная магистраль; 12 — краны-регуляторы; 13 — нагреватели; 14 — емкость теплового аккумулятора. К примеру, в Одесской области средняя температура наиболее холодной пятидневки —15°С. Для Киевской области это уже —21°С, а для Ленинградской области —25°С. Какую из этих областей взять для примера? Возьмем «среднюю» киевскую.

Если площадь хорошо утепленного зимнего дома составляет 46м 2 при высоте потолка 2,5м, то при объеме 46*2,5=115м 3 теплопотери в единицу времени для Киевской области составят: Q = 115*0,81*(18— (—21))*1,1 = 4000 Вт. Следовательно, для отопления дома в наиболее холодный период с учетом коэффициента запаса (1,15 . 1,17) нам нужно иметь теплопроизводительность системы отопления примерно 4700 Вт. Такой должна быть минимальная мощность генератора для Киевской области.

Думается, для вас не составит труда провести аналогичный расчет, исходя из климатических данных района, где вы живете.

В системе конвекционного отопления лучше всего использовать чугунные радиаторы, например, М-140АО. Они продаются в магазинах стройматериалов. Такие радиаторы дают возможность применить трубы большого диаметра, что очень важно для хорошей циркуляции воды. Кроме того, благодаря большой массе они хорошо накапливают и долго сохраняют тепло, отличаются долговечностью по сравнению со стальными.

Пусть суммарная длина наружных стен самой большой комнаты (см. рис.) составляет примерно 30% от общей длины наружных стен дома. Тогда теплопотери этой комнаты составят 4700*0,3 = 1410 Вт. Исходя из того, что каждый квадратный метр поверхности батареи имеет теплопотери около 500 Вт, подсчитаем количество секций в самой большой комнате, при условии, что поверхность каждой секции равна 0,3м 2 : 1410:(500*0,3)= приблизительно 10 секций. Для всех помещений дома суммарное число секции составит приблизительно 32 секции. Эти батареи следует распределить по помещениям так, чтобы в жилых комнатах секций было больше, чем в других местах.

Генератор, мощность которого мы определили, — переменного или постоянного тока с любым рабочим напряжением. В качестве генераторов можно использовать некоторые типы электродвигателей, например, любой двигатель постоянного тока. Если рабочее число оборотов генератора, при которых он производит ток, большее, чем число оборотов нашего ветряного ротора (в зависимости от силы ветра оно может составить 150—500 об/мин), нужно использовать повышающий редуктор. Подойдет редуктор от подвесного лодочного мотора мощностью не менее 5 л.с. Применение повышающего редуктора, кроме того, даст возможность расположить генератор горизонтально: ведь лодочный редуктор передает усилие под углом 90°.

Нагревателями служат готовые спирали от электроутюгов и электрокаминов, имеющиеся в продаже. Если мощность одного нагревателя мала, нужно сделать несколько одинаковых нагревателей, которые в сумме будут соответствовать по мощности максимальной мощности генератора. Нагреватели подключаются к генератору параллельно, причем несколько нагревателей монтируется про запас. Каждая спираль вставлена в U-образную медную трубку внутренним диаметром 12—16 мм, в зависимости от размера спирали. Трубка припаивается к корпусу емкости обычным оловянным припоем.

Посмотрите, какой ветрогенератор получился у одного из наших постоянных читателей:

Расчет теплопотерь и подбор ветряка для отопления

Как можно обеспечить бесперебойное отопление жилища и при этом сэкономить деньги? В этом помогут силы природы. Все нюансы по подбору оборудования, а также необходимые расчеты прилагаются.

Наверняка многие задавались вопросом — как можно добыть дешевую электроэнергию. Ведь в жизни человека она играет очень важную роль. В последнее время все большую популярность начали приобретать альтернативные способы получения электроэнергии. Для этого стали использовать естественные силы природы, одной из которых является ветер.

Ветрогенератор — это установка, которая генерирует электроэнергию за счет движения воздушных масс. Получаемая энергия является полностью бесплатной, денежные затраты требуются только на покупку и ремонт оборудования в следствии износа. Почему же «бесплатная» энергия не используется в каждом доме? Есть несколько причин:

1. Ветрогенератор — это дорогостоящее оборудование;
2. Полная зависимость от погодных условий. Для выработки электроэнергии нужен постоянный ветер;
3. Для обеспечения бесперебойного электроснабжения необходимо установить дорогостоящие аккумуляторы;
4. Высокая стоимость оборудования и ремонтных работ повышают себестоимость получаемой электроэнергии.

Несмотря на наличие весомых отрицательных факторов, рентабельное использование ветрогенератора возможно. Чтобы снизить себестоимость электроэнергии, которую вырабатывает ветряк, нужно снизить стоимость оборудования. Эта возможность предоставляется, если ветрогенератор использовать для отопления частного дома. Несколько причин рентабельности:

1. Электронагреватели не требуют электричества высокого качества, что позволяет установить более дешевое оборудование;
2. Для хранения энергии можно использовать вместо дорогостоящих аккумуляторов обыкновенный резервуар с теплоносителем (бойлер);
3. Отопление — это один из самых крупных потребителей энергии;
4. Широкий диапазон температурного режима (18-24°С) позволяет системе отопления работать без потребления электроэнергии (в безветренную погоду) некоторое время.

к содержанию ↑

В каких случаях устанавливаются ветряки

Если существует проблема подвода традиционного отопления или центральное водоснабжение производит подачу отопления с частыми и длительными перебоями, не обеспечивается достаточный нагрев теплоносителя, то при наличии подходящих условий, ветряк может стать хорошим решением проблемы.

Где можно применять ветрогенератор для отопления

В областях, где существует достаточная активность ветра традиционное отопление можно полностью заменить на альтернативное, используя ветряки. Если сила ветра или ветряная активность не так высоки, чтобы полностью отапливать помещение, то возможно применение отопления с помощью ветрогенератора лишь частично, что обеспечит экономию средств.

Актуальность установки ветряка

Отопление с использованием ветра очень актуально потому, что холодный воздух имеет большую плотность, нежели теплый. Этот фактор имеет положительное влияние на ветрогенератор — его производительность растет, что обеспечивает бесперебойную работу отопления. А также в зимний период интенсивность ветров увеличивается по сравнению с летним.

Хватит ли ветра для отопления

Может оказаться так, что установка ветрогенератора в вашей местности будет невыгодным решением. Поэтому перед приобретением оборудования необходимо осведомиться о средней годовой скорости ветра и сезонных особенностях его активности. Эта информация поможет определить параметры, которым должен соответствовать ветрогенератор для отопления, чтобы с наибольшей эффективностью работать в погодных условиях именно вашего дома. Ведь расположение каждого индивидуального дома имеет свои погодные особенности. Поэтому ветряки подбираются тоже индивидуально.

Первый способ сбора информации о ветрах

Для получения уже готовых замеров можно обратиться в ближайшую метеослужбу. Но информация будет лишь приблизительной, так как все значения будут округлены и увидеть сезонную картину особенностей поведения ветра будет невозможно. Плюсами этого способа получения информации является быстрота и дешевизна.

Второй способ сбора информации о ветрах

Для получения необходимых параметров нужно провести собственные наблюдения. Замеры производятся с помощью портативной метеостанции, которую необходимо установить там, где будет смонтирован ветрогенератор. Исследования желательно проводить в течение одного календарного года, что является явным неудобством, а также придется приобрести или взять в аренду необходимое оборудование, что влечет за собой увеличение расходов. Зато проведенные измерения отразят полную картину поведения ветра в месте, где будут установлены ветряки, что позволит подобрать подходящее оборудование с учетом всех погодных особенностей.

Основные показатели ветряка

Подбор ветроустановки

Общие рекомендации

Выбор ветрогенератора нужно производить в соответствии с погодными условиями местности дислокации оборудования, а также с учетом необходимого количества энергии для отопления дома. Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию, ветряки необходимо снабжать специальным оборудованием по защите от штормового ветра, а также от обледенения лопастей.

По мощности

Ветрогенератор должен быть достаточной производительности для того, чтобы обеспечить нагрев теплоносителя до нужной температуры. Нагрев и хранение теплоносителя будет осуществляться в аккумуляторном баке с теплоизоляционным покрытием.

Расчет теплопотерь дома:
Q = Vq0(t1 — t2)n.
Q — теплопотери.
V — объем отапливаемого здания.
q0 — теплоёмкость здания, принимается 0,81 для одноэтажных зданий.
t1 — минимальная температура воздуха в отапливаемом помещении, обычно равна 18.
t2 — минимальная температура воздуха (для каждого района индивидуальна).
n — поправочный коэффициент климатических условий. Если t2 больше или равно -10°С, то n=1.2; t2 больше или равно -20°С, то n= 1,1; t2 больше или равно -30°С то n=1,0; t2 больше или равно -40°С то n= 0,9.

Пример расчета

Например: нужно отопить одноэтажный дом в 60 кв. метров. При максимально низкой уличной температуре -30°С.

Если высота комнат = 2.5 м, то объем всего дома вычисляется так: 60*2,5=150, а теплопотери в единицу времени составят: Q=150*0.81*(18-(-30))*1=5832 Вт. Это цифра указывает на теплопотери в наиболее холодное время, следовательно, нужно установить ветрогенератор, который сможет компенсировать все теплопотери. Лучше всего иметь запас по максимальной мощности генератора.

Для нагрева воды можно использовать тэны. Их суммарная мощность не должна превышать максимальную мощность ветрогенератора.

Схема отопления с естественной циркуляцией

Самой выгодной схемой системы отопления, в которой применяются ветряки, является схема с естественной циркуляцией, так как она не требует дополнительных затрат на установку насоса, который тоже будет потребителем энергии.

Принцип работы естественной циркуляции основан на физических свойствах жидкостей и газов. При нагревании их молекулы всегда стремятся вверх.

Система отопления с естественной циркуляцией состоит из:

1. бойлер, в котором происходит нагрев теплоносителя;
2. прямая линия, по которой подается горячий теплоноситель из бойлера;
3. радиаторы отопления;
4. обратная линия, по которой остывший теплоноситель возвращается в бойлер.

Для осуществления естественной циркуляции нужно установить бойлер так, чтобы вся вода из системы отопления могла самотеком слиться в него, то есть бойлер должен быть самой низкой точкой всей системы отопления.

Прямая линия должна соединять радиаторы отопления с верхней частью бойлера. А обратная линия соединяет радиаторы отопления с нижней частью бойлера. Таким образом, нагретая вода, по законам физики будет подыматься вверх. По прямой линии попадет в первый радиатор отопления, из него в другой, а из последнего радиатора, под действием силы тяжести, сольется обратно в бойлер.

Для обеспечения более интенсивной циркуляции нужно, чтобы все прямые участки труб имели небольшой наклон в сторону движения теплоносителя. А также увеличить высоту между радиаторами отопления и бойлером.

В завершение можно сказать, что отопление дома с помощью ветрогенератора возможно, но имеет ряд своих преимуществ и недостатков.

Преимущества:

• Независимость от центрального отопления;
• Экономия электроэнергии;
• Возможность регулирования температурного режима.

Недостатки:

• Полная зависимость от погоды;
• Высокая стоимость ветряков;
• Необходимость проведения ремонтов и обслуживания оборудования.