Расчет количества секций батарей отопления на площадь: Как произвести расчет секций радиаторов отопления

Расчет количества секций радиаторов отопления

При установке и замене радиаторов отопления обычно встает вопрос: как правильно рассчитать количество секций радиаторов отопления, чтобы в квартире было уютно и тепло даже в самое холодное время года? Сделать расчет самостоятельно совсем несложно, нужно лишь знать параметры помещения и мощность батарей выбранного типа. Для угловых комнат и помещений, имеющих потолки выше 3 метров или панорамные окна, расчет несколько отличается. Рассмотрим все методики расчета.

Расчет количества секций радиаторов отопления

Помещения со стандартной высотой потолков

Расчет числа секций радиаторов отопления для типового дома ведется исходя из площади комнат. Площадь комнаты в доме типовой застройки вычисляют, умножив длину комнаты на ее ширину. Для обогрева 1 квадратного метра требуется 100 Вт мощности отопительного прибора, и чтобы вычислить общую мощность, необходимо умножить полученную площадь на 100 Вт. Полученное значение означает общую мощность отопительного прибора. В документации на радиатор обычно указана тепловая мощность одной секции. Чтобы определить количество секций, нужно разделить общую мощность на это значение и округлить результат в большую сторону.

Пример расчета:

Комната с шириной 3,5 метра и длиной 4 метра, с обычной высотой потолков. Мощность одной секции радиатора – 160 Вт. Необходимо найти количество секций.

1. Определяем площадь комнаты, умножив ее длину на ширину: 3,5·4 = 14 м².
2. Находим общую мощность отопительных приборов 14·100 = 1400 Вт.
3. Находим количество секций: 1400/160 = 8,75. Округляем в сторону большего значения и получаем 9 секций.

Также можно воспользоваться таблицей:

Таблица для расчета количества радиаторов на М2

Для комнат, расположенных с торца здания, расчетное количество радиаторов необходимо увеличить на 20%..

Помещения с высотой потолков более 3 метров

Расчет количества секций отопительных приборов для комнат с высотой потолков более трех метров ведется от объема помещения. Объем – это площадь, умноженная на высоту потолков. Для обогрева 1 кубического метра помещения требуется 40 Вт тепловой мощности отопительного прибора, и общую его мощность вычисляют, умножая объем комнаты на 40 Вт. Для определения количества секций это значение необходимо разделить на мощность одной секции по паспорту.

Пример расчета:

Комната с шириной 3,5 метра и длиной 4 метра, с высотой потолков 3,5 м. Мощность одной секции радиатора – 160 Вт. Необходимо найти количество секций радиаторов отопления.

1. Находим площадь комнаты, умножив ее длину на ширину: 3,5·4 = 14 м².
2. Находим объем комнаты, умножив площадь на высоту потолков: 14·3,5 = 49 м³.
3. Находим общую мощность радиатора отопления: 49·40 = 1960 Вт.
4. Находим количество секций: 1960/160 = 12,25. Округляем в большую сторону и получаем 13 секций.

Также можно воспользоваться таблицей:

 

Как и в предыдущем случае, для угловой комнаты этот показатель нужно умножить на 1,2. Также необходимо увеличить количество секций в случае, если помещение имеет один из следующих факторов:

• Находится в панельном или плохо утепленном доме;
• Находится на первом или последнем этаже;
• Имеет больше одного окна;
• Расположена рядом с неотапливаемыми помещениями.

В этом случае полученное значение необходимо умножить на коэффициент 1,1 за каждый из факторов.

Пример расчета:

Угловая комната с шириной 3,5 метра и длиной 4 метра, с высотой потолков 3,5 м. Расположена в панельном доме, на первом этаже, имеет два окна. Мощность одной секции радиатора – 160 Вт. Необходимо найти количество секций радиаторов отопления.

1. Находим площадь комнаты, умножив ее длину на ширину: 3,5·4 = 14 м².
2. Находим объем комнаты, умножив площадь на высоту потолков: 14·3,5 = 49 м³.
3. Находим общую мощность радиатора отопления: 49·40 = 1960 Вт.
4. Находим количество секций: 1960/160 = 12,25. Округляем в большую сторону и получаем 13 секций.
5. Умножаем полученное количество на коэффициенты:

Угловая комната – коэффициент 1,2;

Панельный дом – коэффициент 1,1;

Два окна – коэффициент 1,1;

Первый этаж – коэффициент 1,1.

Таким образом, получаем: 13·1,2·1,1·1,1·1,1 = 20,76 секций. Округляем их до большего целого числа – 21 секция радиаторов отопления.

При расчетах следует иметь в виду, что различные типы радиаторов отопления имеют разную тепловую мощность. При выборе количества секций радиатора отопления необходимо использовать именно те значения, которые соответствуют выбранному типу батарей.

Радиатор отопления

Для того чтобы теплоотдача от радиаторов была максимальной, необходимо устанавливать их в соответствии с рекомендациями  производителя, соблюдая все оговоренные в паспорте расстояния. Это способствует лучшему распределению конвективных потоков и уменьшает потери тепла.

Твитнуть

Поделиться

Поделиться

Класснуть

Отправить

Рейтинг статьи:

(голосов: 1, средняя оценка: 5,00 из 5)

Загрузка. ..

Расчет количества секций радиаторов по площади помещения: варианты и их особенности

Предварительный расчет количества секций радиатора гарантирует с одной стороны, что зимой в комнате будет комфортно, с другой — что не придется платить за «лишнее тепло».

Как посчитать? Существует несколько методов. Будем двигаться от простого и приблизительного к сложному и точному.

Содержание

• 1 Приблизительный расчет количества секций
• 2 Расчет секций радиатора по площади помещения
• 3 Расчет количества секций по объему помещения
• 4 Расчет секций с уточняющими коэффициентами
• 5 Заключение

Приблизительный расчет количества секций

Простейший метод, в основе — идентичность размеров серийных батарей отопления. В комнате с потолком высотой 250-270 см (стандарт для типовых помещений) одна секция серийного радиатора обогревает 1,8 м².

Отсюда и производится расчет. Берется площадь помещения и делится на 1,8. Полученный результат (он округляется до целого числа) и есть количество секций.

Этот вариант используется все реже, так как дает высокие погрешности. Они могут оказаться критически большими при расчете для маломощных радиаторов до 60 Вт.

Расчет секций радиатора по площади помещения

Расчет секций радиатора по площади помещения — этим методом пользуются чаще всего. Он основан на норме СНиП, по которой для отопления 1 м² жилья в средней полосе требуется 100 Вт мощности.

Формула, позволяющая узнать, сколько секций должно быть в радиаторе, такова:

где S — квадратура комнаты,

P — теплоотдача радиатора, она же мощность секции.

С площадью все ясно, а где взять показатель мощности? В технических характеристиках агрегата. Впрочем, для предварительного расчета (к примеру, перед покупкой радиаторов) хватит усредненного показателя. Если осевое расстояние стандартное (500 мм), все зависит только от материала.

Мощность одной секции у радиаторов со стандартным осевым расстоянием:

• у алюминиевых — 190 Вт;
• у чугунных — 145 Вт;
• у биметаллических — 185 Вт.

Когда у помещения есть особенности, способные привести к теплопотерям, их надо учесть в ходе расчета. К расчетной мощности добавляется по 20 процентов, если:

• комната угловая;
• в ней есть балкон;
• радиатор будет спрятан за экраном или вмонтирован в нишу;
• нет стабильности в работе системы отопления.

Пример. Рассчитаем количество секций радиатора из чугуна для спальни площадью 14 м² с учетом того, что радиатор планируется скрыть за экраном:

14 / 145 * 100 = 9,6.

Округляем результат до 10. На экран добавляем 20%. Получается, что для этой конкретной спальни нужен чугунный радиатор с 12 секциями.

Внимание! При расчете количества секций радиатора результат округлять надо в большую сторону. Исключение — помещения с низкими потерями тепла (например, кухня).

Расчет количества секций по объему помещения

По достоверности результата эта методика лучше предыдущей. Основана она на том же принципе, просто дополнительно к площади учитывается, какой высоты потолок. Перемножая две эти величины, мы, собственно, и узнаем объем комнаты.

В СНиП есть норматив тепловой мощности для обогрева кубометра жилья. Составляет он 41 Вт. Вот формула:

где H — высота потолка,

S — количество квадратных метров в комнате,

P — мощность одной секции.

Пример. Посчитаем, сколько секций чугунного радиатора (об ориентировочной мощности секций батарей из разных материалов смотрите выше) оптимально прогреют комнату площадью 22 метра с 3-метровым потолком.

22 * 3 * 41 / 145 = 18,7.

Округляем до 19. Столько секций потребуется для оптимального обогрева нашего помещения.

Важно: для расчета количества секций радиатора желательно брать минимальный показатель мощности секции, который прописан в техпаспорте радиатора. Дело в том, что производители обычно ориентируются на максимальную температуру в тепловой сети. Но это далеко от реальности.

Расчет секций с уточняющими коэффициентами

Комната с нетипичной геометрией, нестандартные условия эксплуатации батарей — все это мешает сделать высокоточный расчет. Но есть методика, в которой с помощью коэффициентов особенности помещения учитываются по максимуму.

Используется вот такая формула (норматив 100 Вт/м²):

где T — количество тепла, которое потребуется для обогрева,

S — площадь комнаты,

C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7 — уточняющие коэффициенты.

«C1» учитывает оконные проемы, точнее, их тип:

• 1,27 — если окна простые, с традиционными двойными рамами;
• 1 — если окна с двойными стеклопакетами;
• 0,85 — если окна с тройными стеклопакетами.

«C2» указывает, как утеплены стены

:

• 1,27 — если теплоизоляция оставляет желать лучшего;
• 1 — если стены помещения утеплены хорошо;
• 0,85 — если теплоизоляцию можно назвать идеальной.

«C3» учитывает соотношение суммарной площади окон и площади пола:

• 1,2 — при соотношении 1 к 1;
• 1,1 — если соотношение равно 40 процентам;
• 1 — при 30 процентах;
• 0,9 — при 20 процентах;
• 0,8 — при 10 процентах.

«C4» указывает на среднюю температуру на улице в самую холодную зимнюю неделю:

• 1,5 — если столбик термометра опускается до -35°С;
• 1,3 — при холодах в -25°С;
• 1,1 — для регионов, где холоднее всего это -20°С;
• 0,9 — если столбик не падает за -15°С;
• 0,7 — при самой низкой температуре -10°С.

«C5» позволяет учесть, сколько стен в помещении наружные:

• 1,1 — при только одной;
• 1,2 — если две стены наружные;
• 1,3 — при трех наружных стенах;
• 1,4 — если их четыре.

«C6» вносит корректировки по высоте потолков:

• 1 — для типовых потолков 2,5 м;
• 1,05 — когда высота равна 3 м;
• 1,1 — когда высота составляет 3,5 м;
• 1,15 — для четырехметровых потолков;
• 1,2 — для потолка высотой 4,5 м.

«C7» позволяет учесть насколько холодно или тепло в помещении выше:

• 1 — если наверху неотапливаемый чердак;
• 0,9 — если над комнатой чердак с отоплением;
• 0,8 — если выше жилое помещение с отоплением.

Теперь остается разделить полученный показатель количества тепла, в котором нуждается помещение, на мощность одной секции радиатора. В виде формулы это выглядит так:

где N — количество секций,

T — количество тепла, необходимое для обогрева рассчитываемого помещения,

P — мощность одной секции радиатора (из техпаспорта).

Пример. Есть комната 20 квадратов с трехметровым потолком в новом и добротном частном доме. Две наружные стены, три окна с современными стеклопакетами. Дом одноэтажный, находится в городе Томске.

Посчитаем, сколько секций должно быть в биметаллическом радиаторе (возьмем усредненное значение теплоотдачи). Сначала вычисляем требующееся количество тепла:

Т=100 * 20 * 0,85 * 1 * 1 * 1,5 * 1,2 * 1,05 * 1 = 3213 Вт

Делим на усредненную мощность секции:

3213/185 = 17,4.

Округляем в большую сторону, в результате получаем 18 секций радиатора.

Заключение

Каким способом воспользоваться, зависит от задачи и ситуации. Устроит приблизительная прикидка? Первый вариант позволяет ее сделать. Но очень приблизительную, и только для типового помещения.

Нужен точный расчет? Использование формул без коэффициентов даст результат достовернее, причем расчет по объему более точен. Правда, и они подходят для более-менее стандартных условий.

Если комната не типовая, условия эксплуатации теплоснабжения хоть немного отклоняются от стандарта, или нужна самая высокая точность, четвертый способ вне конкуренции. Потребуется доля усердия, чтобы значения коэффициентов соответствовали реальности, но результат того стоит.

Эксплуатационные характеристики батареи

— Как определить и протестировать батарею

 

 

		В этом разделе описаны основные параметры, которые используются для характеристики производительности ячейки. Оценка этих характеристик необходима для выбора оптимальной батареи для приложения.

 

Спецификации, стандарты и реклама

Аккумуляторы

могут рекламироваться как Long Life, High Capacity, High Energy, Deep Cycle, Heavy Duty, Fast Charge, Quick Charge, Ultra и другие, плохо определенные параметры, и существует несколько отраслевых или юридических стандартов, точно определяющих, что каждый из этих терминов означает. Рекламные слова могут означать все, что хочет продавец. Помимо базовой конструкции батареи, производительность на самом деле зависит от того, как используются батареи, а также от условий окружающей среды, в которых они используются, но эти условия редко, если вообще когда-либо, указываются в рекламе для массового рынка. Для потребителя это может быть очень запутанным или вводящим в заблуждение. Однако сама аккумуляторная промышленность не использует такие расплывчатые термины для определения производительности аккумуляторов, и спецификации обычно включают заявление, определяющее или ограничивающее условия эксплуатации или окружающей среды, в которых может быть обеспечена заявленная производительность.

В следующем разделе описаны основные параметры, используемые для характеристики элементов или батарей, и показано, как эти параметры могут меняться в зависимости от условий эксплуатации.

 

Кривые нагнетания

Энергетические элементы

были разработаны для широкого спектра применений с использованием множества различных технологий, что обеспечивает широкий диапазон доступных рабочих характеристик.

На приведенных ниже графиках показаны некоторые из основных факторов, которые инженер по применению должен учитывать при выборе батареи, чтобы она соответствовала требованиям к производительности конечного продукта.

 

Химия клетки

Номинальное напряжение гальванического элемента определяется электрохимическими характеристиками активных химических веществ, используемых в элементе, так называемой клеточной химией. Фактическое напряжение, появляющееся на клеммах в любой конкретный момент времени, как и в любой ячейке, зависит от тока нагрузки и внутреннего импеданса ячейки, а это зависит от температуры, состояния заряда и возраста ячейки.

На приведенном ниже графике показаны типичные кривые разрядки для элементов с использованием ряда химических элементов при разряде со скоростью 0,2°C. Обратите внимание, что химический состав каждой ячейки имеет собственное характерное номинальное напряжение и кривую разряда. Некоторые химические вещества, такие как ионно-литиевые, имеют довольно плоскую кривую разряда, в то время как другие, такие как свинцово-кислотные, имеют выраженный наклон.

Мощность, выдаваемая элементами с наклонной кривой разряда, постепенно падает на протяжении всего цикла разряда. Это может привести к проблемам с приложениями высокой мощности ближе к концу цикла. Для приложений с низким энергопотреблением, которым требуется стабильное напряжение питания, может потребоваться включить регулятор напряжения, если наклон слишком крутой. Обычно это не вариант для приложений с высокой мощностью, поскольку потери в регуляторе отнимут у батареи еще больше энергии.

Плоская кривая разряда упрощает конструкцию приложения, в котором используется аккумулятор, поскольку напряжение питания остается достаточно постоянным на протяжении всего цикла разряда. Наклонная кривая облегчает оценку состояния заряда батареи, поскольку напряжение элемента можно использовать как меру остаточного заряда в элементе. Современные литий-ионные элементы имеют очень плоскую кривую разряда, и для определения состояния заряда необходимо использовать другие методы

 

 

На оси X показаны характеристики ячейки, нормализованные в процентах от емкости ячейки, так что форма графика может быть показана независимо от фактической емкости ячейки. Если бы ось X была основана на времени разряда, длина каждой кривой разряда была бы пропорциональна номинальной емкости элемента.

 

Температурные характеристики

Производительность ячейки

может резко меняться в зависимости от температуры. В нижнем пределе, в батареях с водными электролитами, сам электролит может замерзнуть, установив нижний предел рабочей температуры. При низких температурах литиевые батареи страдают от литиевого покрытия анода, что приводит к необратимому снижению емкости. В крайнем случае активные химические вещества могут разрушаться, разрушая батарею. В промежутке между этими пределами производительность элемента обычно улучшается с повышением температуры. Дополнительные сведения см. также в разделе «Управление температурным режимом» и «Ресурс батареи».

На приведенном выше графике показано, как производительность ионно-литиевых аккумуляторов ухудшается при снижении рабочей температуры.

Вероятно, более важным является то, что как для высоких, так и для низких температур, чем дальше рабочая температура от комнатной температуры, тем больше снижается срок службы. См. Неисправности литиевых батарей.

 

Характеристики саморазряда

Скорость саморазряда — это мера того, как быстро ячейка будет терять свою энергию, оставаясь на полке из-за нежелательных химических процессов внутри ячейки. Скорость зависит от химического состава клетки и температуры.

 

Химия клетки

Ниже показан типичный срок годности некоторых первичных элементов:

• Цинк-углерод (Leclanché) от 2 до 3 лет
• Щелочные 5 лет
• Литий 10 лет и более

Типичные скорости саморазряда обычных перезаряжаемых элементов следующие:

• Свинцово-кислотный от 4% до 6% в месяц
• Никель Кадмий от 15% до 20% в месяц
• Никель-металлогидрид 30% в месяц
• Литий от 2% до 3% в месяц

 

Влияние температуры

Скорость нежелательных химических реакций, которые вызывают внутреннюю утечку тока между положительным и отрицательным электродами элемента, как и все химические реакции, увеличивается с температурой, тем самым увеличивая скорость саморазряда батареи. См. также Срок службы батареи. На приведенном ниже графике показана типичная скорость саморазряда литий-ионной батареи.

 

Внутренний импеданс

Внутренний импеданс ячейки определяет ее пропускную способность по току. Низкое внутреннее сопротивление позволяет использовать большие токи.

 

Эквивалентная схема батареи

На диаграмме справа показана эквивалентная схема для энергетического элемента.

• Rm — сопротивление металлического пути через ячейку, включая клеммы, электроды и межсоединения.
• Ra — сопротивление электрохимического тракта, включающего электролит и сепаратор.
• Cb — емкость параллельных пластин, образующих электроды ячейки.
• Ri — нелинейное контактное сопротивление между пластиной или электродом и электролитом.

Типичное внутреннее сопротивление порядка миллиом.

 

Влияние внутреннего сопротивления

Когда ток протекает через элемент, происходит падение напряжения IR на внутреннем сопротивлении элемента, что снижает напряжение на клеммах элемента во время разряда и увеличивает напряжение, необходимое для зарядки элемента, тем самым уменьшая его эффективную емкость, а также уменьшая его заряд /эффективность разряда. Более высокие скорости разряда приводят к более высоким внутренним падениям напряжения, что объясняет кривые разряда с более низким напряжением при высоких скоростях C. См. «Скорость разрядки» ниже.

 

Внутренний импеданс зависит от физических характеристик электролита: чем меньше размер гранул материала электролита, тем ниже импеданс. Размер зерна контролируется производителем ячейки в процессе измельчения.

 

Спиральная конструкция электродов часто используется для увеличения площади поверхности и, таким образом, снижения внутреннего импеданса. Это снижает тепловыделение и обеспечивает более высокую скорость зарядки и разрядки.

 

Внутреннее сопротивление гальванического элемента зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры из-за увеличения подвижности электронов. График ниже является типичным примером.

Таким образом, ячейка может быть очень неэффективной при низких температурах, но эффективность повышается при более высоких температурах из-за более низкого внутреннего импеданса, а также из-за увеличения скорости химических реакций. Однако более низкое внутреннее сопротивление, к сожалению, также приводит к увеличению скорости саморазряда. Кроме того, срок службы ухудшается при высоких температурах. Может потребоваться некоторая форма нагрева и охлаждения для поддержания ячейки в ограниченном диапазоне температур для достижения оптимальной производительности в приложениях с высокой мощностью.

 

Внутреннее сопротивление большинства химических элементов элементов также имеет тенденцию к значительному увеличению к концу цикла разрядки, поскольку активные химические вещества преобразуются в свое разряженное состояние и, следовательно, эффективно израсходованы. Это в основном отвечает за быстрое падение напряжения на ячейке в конце цикла разрядки.

 

Кроме того, джоулев тепловой эффект I ² R Уменьшение внутреннего сопротивления элемента приведет к повышению температуры элемента.

 

Падение напряжения и потери I ² R могут быть незначительными для элемента емкостью 1000 мАч, питающего мобильный телефон, но для автомобильного аккумулятора на 100 элементов емкостью 200 Ач они могут быть значительными. Типичное внутреннее сопротивление для литиевого аккумулятора мобильного телефона на 1000 мА составляет от 100 до 200 мОм и около 1 мОм для литиевого элемента на 200 Ач, используемого в автомобильном аккумуляторе. См. пример.

 

При работе в режиме C падение напряжения на ячейку в обоих случаях составит около 0,2 вольта (чуть меньше для мобильного телефона). Потери I ² R в мобильном телефоне будут составлять от 0,1 до 0,2 Вт. Однако в автомобильном аккумуляторе падение напряжения на всей аккумуляторной батарее составит 20 В, а потери мощности I ² R, рассеиваемые в виде тепла внутри аккумуляторной батареи, составят 40 Вт на элемент или 4 кВт для всей аккумуляторной батареи. Это в дополнение к теплу, выделяемому электрохимическими реакциями в клетках.

 

По мере старения элемента сопротивление электролита имеет тенденцию к увеличению. Старение также приводит к ухудшению состояния поверхности электродов, увеличению контактного сопротивления и одновременному уменьшению эффективной площади пластин, уменьшая их емкость. Все эти эффекты увеличивают внутреннее сопротивление клетки, отрицательно влияя на ее работоспособность. Сравнение фактического импеданса ячейки с ее импедансом, когда она была новой, может быть использовано для измерения или представления возраста ячейки или ее эффективной емкости. Такие измерения намного удобнее, чем фактическая разрядка ячейки, и их можно проводить, не разрушая тестируемую ячейку. См. «Измерение импеданса и проводимости»

 

Внутреннее сопротивление также влияет на эффективную емкость элемента. Чем выше внутреннее сопротивление, тем выше потери при зарядке и разрядке, особенно при более высоких токах. Это означает, что при высоких скоростях разряда доступная емкость элемента ниже. И наоборот, если он разряжается в течение длительного периода, емкость в ампер-часах выше. Это важно, потому что некоторые производители указывают емкость своих аккумуляторов при очень низкой скорости разряда, из-за чего они выглядят намного лучше, чем они есть на самом деле.

 

Скорость разряда

Приведенные ниже кривые разрядки литий-ионного элемента показывают, что эффективная емкость элемента уменьшается, если элемент разряжается с очень высокой скоростью (или, наоборот, увеличивается при низкой скорости разряда). Это называется смещением емкости, и этот эффект характерен для большинства клеточных химических процессов.

 

Нагрузка от батареи

Производительность разряда батареи зависит от нагрузки, которую должна питать батарея.

Если разрядка происходит в течение длительного периода в несколько часов, как в некоторых приложениях с высокой скоростью, таких как электромобили, эффективная емкость батареи может быть в два раза больше указанной емкости при скорости C. Это может быть наиболее важно при выборе дорогих аккумуляторов для использования с высокой мощностью. Емкость маломощных аккумуляторов для бытовой электроники обычно указывается для разряда со скоростью C, тогда как SAE использует разряд в течение 20 часов (0,05C) в качестве стандартного условия для измерения амперной емкости автомобильных аккумуляторов. На приведенном ниже графике показано, что эффективная емкость свинцово-кислотной батареи с глубоким разрядом почти удваивается при снижении скорости разряда с 1,0°C до 0,05°C. При времени разряда менее одного часа (высокий показатель C) эффективная емкость резко падает.

На эффективность зарядки также влияет скорость зарядки. Объяснение причин этого дано в разделе «Время зарядки».

 

Из этого графика можно сделать два вывода:

• Следует проявлять осторожность при сравнении характеристик емкости батареи, чтобы убедиться, что используются сопоставимые скорости разряда.
• В автомобильной технике, если для резкого ускорения или подъема на холм регулярно используются высокие значения силы тока, дальность действия транспортного средства будет уменьшена.

 

Рабочий цикл

Рабочие циклы различны для каждого приложения. Приложения для электромобилей и гибридных автомобилей налагают на аккумулятор особые переменные нагрузки. См. пример нагрузочного тестирования. Стационарные батареи, используемые в приложениях для хранения энергии распределенных сетей, могут иметь очень большие изменения SOC и много циклов в день.

Важно знать, сколько энергии используется за цикл, и проектировать для максимальной пропускной способности и мощности, а не для среднего значения.

 

Примечания: Для информации

• Типичный небольшой электромобиль потребляет от 150 до 250 ватт-часов энергии на милю при обычном вождении. Таким образом, для пробега в 100 миль при 200 Вт·ч на милю потребуется батарея емкостью 20 кВт·ч.
• В гибридном электромобиле используются батареи меньшего размера, но они могут потребоваться для работы при очень высокой скорости разряда до 40°C. Если транспортное средство использует рекуперативное торможение, батарея также должна выдерживать очень высокие скорости зарядки, чтобы быть эффективной. См. раздел о конденсаторах для примера того, как это требование может быть выполнено.

 

Уравнение Пейкерта

Уравнение Пейкерта является удобным способом описания поведения клеток и количественной оценки смещения емкости в математических терминах.

Это эмпирическая формула, которая приблизительно показывает, как доступная емкость батареи изменяется в зависимости от скорости разряда. C = I ⁿ  T, где «C» — теоретическая емкость батареи, выраженная в ампер-часах, «I» — ток, «T» — время, а «n» — число Пейкерта, константа для данного батарея. Уравнение показывает, что при более высоких токах в батарее остается меньше доступной энергии. Число Пейкерта напрямую связано с внутренним сопротивлением батареи. Более высокие токи означают больше потерь и меньшую доступную мощность.

Значение числа Пейкерта показывает, насколько хорошо батарея работает при непрерывных сильных токах. Значение, близкое к 1, указывает на то, что аккумулятор работает хорошо; чем выше число, тем больше теряется емкость при разряде батареи при больших токах. Число Пейкерта батареи определяется опытным путем. Для свинцово-кислотных аккумуляторов число обычно составляет от 1,3 до 1,4

 

На приведенном выше графике показано, что эффективная емкость аккумулятора снижается при очень высоких скоростях непрерывного разряда. Однако при прерывистом использовании батарея успевает восстановиться в периоды покоя, когда температура также возвращается к уровню окружающей среды. Из-за этого потенциала восстановления снижение емкости меньше, а эффективность работы выше, если батарея используется с перерывами, как показано пунктирной линией.

Это поведение, противоположное двигателю внутреннего сгорания, который работает наиболее эффективно при длительных устойчивых нагрузках. В этом отношении электроэнергия является лучшим решением для транспортных средств доставки, которые подвержены постоянным перебоям в работе.

 

Участки Рагоне

График Рагона полезен для характеристики компромисса между эффективной мощностью и управляемой мощностью. Обратите внимание, что графики Рагона обычно строятся в логарифмическом масштабе.

На приведенном ниже графике показана превосходная гравиметрическая плотность энергии литий-ионных элементов. Также обратите внимание, что литий-ионные элементы с анодами из титаната лития (Altairnano) обеспечивают очень высокую плотность мощности, но пониженную плотность энергии.

 

Плотность энергии и мощности — график Рагона

Источник Альтаирнано

 

На приведенном ниже графике Рагона сравниваются характеристики ряда электрохимических устройств. Это показывает, что ультраконденсаторы (суперконденсаторы) могут обеспечивать очень большую мощность, но емкость хранения очень ограничена. С другой стороны, топливные элементы могут хранить большое количество энергии, но имеют относительно низкую выходную мощность.

 

Ragone Участок электрохимических устройств

 

Наклонные линии на графиках Рагона указывают относительное время, в течение которого устройство заряжается или выходит из него. С одной стороны, мощность может подаваться в конденсаторы или извлекаться из них за микросекунды. Это делает их идеальными для получения энергии рекуперативного торможения в электромобилях. С другой стороны, топливные элементы имеют очень плохие динамические характеристики, которым требуется несколько часов для выработки и доставки энергии. Это ограничивает их применение в приложениях для электромобилей, где они часто используются в сочетании с батареями или конденсаторами для решения этой проблемы. Литиевые батареи находятся где-то посередине и представляют собой разумный компромисс между ними.

 

См. также Сравнение альтернативных накопителей энергии.

 

Импульсная характеристика

Способность подавать импульсы высокого тока является требованием многих аккумуляторов. Токонесущая способность ячейки зависит от эффективной площади поверхности электродов. (См. Компромиссы энергии/мощности). Однако текущий предел устанавливается скоростью, с которой происходят химические реакции внутри клетки. Химическая реакция или «перенос заряда» происходит на поверхности электродов, и начальная скорость может быть довольно высокой, поскольку химические вещества вблизи электродов трансформируются. Однако, как только это произошло, скорость реакции становится ограниченной скоростью, с которой активные химические вещества на поверхности электрода могут пополняться путем диффузии через электролит в процессе, известном как «массоперенос». Тот же принцип применяется к процессу зарядки и более подробно объясняется в разделе «Время зарядки». Таким образом, импульсный ток может быть значительно выше скорости C, которая характеризует характеристики непрерывного тока.

 

Срок службы

Это один из ключевых рабочих параметров ячейки, который указывает ожидаемый срок службы ячейки.

 

 

Срок службы определяется как количество циклов, которые элемент может выполнить до того, как его емкость упадет до 80 % от исходной заданной емкости.

Каждый цикл зарядки-разрядки и связанный с ним цикл преобразования активных химических веществ, который он вызывает, сопровождается медленным ухудшением химических веществ в ячейке, которое будет почти незаметно для пользователя. Это ухудшение может быть результатом неизбежных, нежелательных химических воздействий на клетку или рост кристаллов или дендритов, изменяющих морфологию частиц, составляющих электроды. Оба этих события могут привести к уменьшению объема активных химических веществ в клетке и, следовательно, ее емкости или к увеличению внутреннего импеданса клетки.

Обратите внимание, что элемент не умирает внезапно в конце указанного срока службы, а продолжает медленно изнашиваться, так что он продолжает нормально функционировать, за исключением того, что его емкость будет значительно меньше, чем была, когда он был новым.

 

Определенный срок службы является полезным способом сравнения батарей в контролируемых условиях, однако он может не давать наилучшего представления о сроке службы батарей в реальных условиях эксплуатации. Аккумуляторы редко эксплуатируются в последовательных полных циклах заряд-разряд, гораздо чаще они подвергаются частичным разрядам различной глубины перед полной перезарядкой. Поскольку в частичных разрядах задействовано меньшее количество энергии, батарея может выдерживать гораздо большее количество неглубоких циклов. Такие циклы использования типичны для гибридных электромобилей с рекуперативным торможением. Посмотрите, как срок службы зависит от глубины разряда (DOD) в разделе Срок службы батареи.

 

Срок службы также зависит от температуры, как рабочей, так и температуры хранения. Подробнее см. в разделе «Неисправности литиевых батарей».

 

Общая пропускная способность

Более репрезентативным показателем срока службы батареи является Пропускная способность за весь срок службы . Это общее количество энергии в ватт-часах, которое может быть введено в аккумулятор и извлечено из него за все циклы в течение всего срока службы до того, как его емкость упадет до 80% от первоначальной емкости в новом состоянии. Это зависит от химического состава клетки и условий эксплуатации. К сожалению, эта мера еще не используется производителями элементов питания и еще не принята в качестве стандарта аккумуляторной промышленности. Пока он не станет широко использоваться, его нельзя будет использовать для сравнения производительности элементов различных производителей таким образом, но, когда он доступен, он, по крайней мере, обеспечивает более полезное руководство для инженеров по применению для оценки полезного срока службы используемых батарей. в их конструкциях.

 

См. также Состояние работоспособности (SOH) и Оценка срока службы батареи

 

Глубокий разряд

Срок службы уменьшается с увеличением глубины разряда (DOD) (см. «Срок службы батареи»), и многие химические элементы не допускают глубокого разряда, и при полной разрядке элементы могут быть необратимо повреждены. Для максимизации потенциального DOD аккумуляторов глубокого цикла требуются специальные конструкции элементов и химические смеси.

 

Зарядные характеристики

 

Кривые зарядки и рекомендуемые методы зарядки включены в отдельный раздел, посвященный зарядке

.

 

 

 

 

 

Климатическая аккумуляторная теплица — тройная ферма

Проект

Мы смоделировали наш проект на основе нескольких концепций, с которыми столкнулись в ходе исследований. Одной из них была теплица в климатической зоне 4 размером с наш высокий туннель (30 футов x 96 футов), который включал четыре батареи. Мы думали, что наш климат не такой суровый, и мы хотели, чтобы система работала на уровне ниже 20 градусов только в самые холодные ночи в году.

Климатическая батарея

Наш проект предусматривал установку трех отдельных «батарей» в почве теплицы. Каждая из этих батарей состояла из 24-дюймового стояка ADS (участок, обрезанный до длины ~ 6 футов), соединенного с горизонтальным коллектором длиной 20 футов и диаметром 18 дюймов на одной стороне теплицы, соединенным с другим 24-дюймовым стояком с 18-дюймовым стояком. коллектор с другой стороны. Эти два коллектора соединялись по ширине (а не по длине) дома 30-футовыми секциями 4-дюймовой дренажной трубы ADS (гофрированной, перфорированной). Каждый коллектор содержал ~ 45 или 46 участков 30-футовой трубы диаметром 4 дюйма. трубки, что означает, что каждая климатическая батарея содержит примерно 1350-1380 футов трубок.

Трубка была проложена по диагонали из стороны в сторону, так как ширина нашей теплицы была всего 30 футов и не позволяла проложить 30 футов из стороны в сторону. Наша цель состояла в том, чтобы закопать все трубки, начиная с 4 футов ниже уровня земли, в 2-3 слоя так, чтобы трубки остановились на 2 фута от поверхности, чтобы мы могли сажать в землю. Одна климатическая батарея будет установлена ​​еще ниже в земле, в идеале на глубине 6-8 футов, чтобы мы могли улавливать часть скрытого тепла земли для самых холодных ночей.

Изоляция

Основываясь на некоторых рекомендациях и исследованиях, мы решили утеплить периметр конструкции пенопластовой изоляцией R5, 1 дюйм. Использование R5 действительно определялось стоимостью. 2-дюймовая плата R10, но бюджет не позволял. Мы решили не изолировать под климатической батареей из-за того, что некоторые исследования, которые мы видели, показали, что мало тепла теряется под конструкцией, и мы даже хотели, чтобы часть скрытого тепла земли попадала в климатическую батарею в очень холодные периоды. год.

Структура теплицы

Мы решили использовать арочную структуру в готическом стиле шириной 30 футов и длиной 96 футов с удлиненными опорами. Этот размер довольно типичен, и для него легко найти пластик. Мы выбрали двухслойный надувной полиэтилен с торцевыми стенками из поликарбоната, довольно типичный вариант, хотя поликарбонат является более дорогим вариантом, как с точки зрения теплоизоляции. Мы выбрали пленку IR/AC (иногда называемую IR/AD) для нашего внутреннего слоя из-за способности пленки отражать некоторое количество инфракрасного тепла обратно в дом, а не терять его. Более типичная теплица с климатическими батареями будет обрамлять и изолировать всю северную стену (поскольку солнечный свет не попадает через северную сторону дома к северу от экватора), но мы не смогли найти коммерчески доступные конструкции (и комплекты), которые можно было бы приобрести. близко к экономичности типичного комплекта высокого туннеля. Может случиться так, что в будущих структурах мы выберем более сильно изолированную структуру, в зависимости от того, что мы пытаемся вырастить.

Строительство

Выбор площадки

Наши почвы здесь, как правило, представляют собой превосходные сельскохозяйственные илистые почвы на основе известняка. Обычно в почве очень мало мелких камней, но нередко можно найти и валуны (подробнее об этом позже). Мы выбрали место из-за его близости к электричеству, близости к нашему дому (чтобы мы не возражали выйти на него) и относительного отсутствия уклона. По ширине земля не сильно менялась по высоте, но по длине с запада на восток она опустилась на 11 дюймов. Мы знаем, что нам придется учитывать некоторые из этих факторов при земляных работах по фундаменту.0003

Мы начали с разметки углов и выравнивания площадки, а затем установили доски, чтобы можно было воссоздать эти углы (опять же, об этом позже). В качестве штифтов для углов использовались короткие отрезки арматуры (опять же, об этом позже).

Фундаментные работы

Наши раскопки площадки для установки климатической батареи поначалу шли хорошо, но вскоре мы начали натыкаться на валуны в большом количестве на западной стороне площадки. Нашей первоначальной целью было раскопать не весь участок, а только те участки, где должна была быть установлена ​​климатическая батарея. Однако быстро стало очевидно, что из-за камней нам придется раскопать почти весь след участка. Наш экскаватор смог убрать все валуны (новые дорогие игрушки для наших коз), но один в юго-восточном углу участка был особенно большим (нам так и не удалось найти его настоящие края), поэтому мы решили обойти его. . Мы изменили компоновку климатических батарей и смогли продолжить план из трех отдельных батарей. Западная часть участка была вырыта глубже, чем остальная часть участка, а это означало, что одну из батарей можно было установить несколько глубже (вероятно, на 6 футов в большей части, возможно, на 8 футов в некоторых местах), хотя вышеупомянутый валун блокировал значительную часть этого раздела.

Здесь я отмечу, что мы действительно должны были установить наши тестовые доски намного дальше от места, а также забить эталонные колышки далеко назад. Экскаватору было очень легко столкнуться с ними, а оригинальные угловые штифты арматуры были в основном вырваны или потеряны, за исключением одного. Одним из преимуществ раскопок на всем участке было то, что в некотором смысле мы обеспечили более плавный процесс после забивки теплицы, поскольку проблемные камни были удалены.

Подготовка батареи для климат-контроля

Установка климатической батареи

После того, как коллекторы со стояками были собраны, установлены, выровнены и засыпаны, мы начали соединять противоположные коллекторы с 30-футовыми секциями трубы. 30-футовые секции (плюс несколько дюймов) были вырезаны из 250-футовых рулонов. Концы были обмотаны клейкой лентой, чтобы удерживать носок на месте, в коллекторе вырезаны подходящие отверстия с помощью кольцевой пилы диаметром 4,75 дюйма, трубки вставлены в отверстия, а затем закреплены на месте с помощью одного винта, чтобы предотвратить его вытягивание при Произошла обратная засыпка.Восемь труб были соединены от одного коллектора к другому, затем произошла обратная засыпка с помощью моего компактного трактора и выемка грунта с использованием пандуса, который мы заставили сделать экскаватор. Восемь труб были сделаны за один раз просто потому, что это все, что мог мой трактор После того, как трубы были засыпаны, мы вручную утрамбовали каждую ветвь, кроме самого верхнего слоя, так как мы рассчитывали, что он будет утрамбован в процессе обратной засыпки и выравнивания.0003

Это была самая трудоемкая и сложная часть процесса, и с тех пор я думал о том, как ее улучшить. Процесс подготовки и установки батареи климат-контроля, вероятно, занял 2 недели напряженной работы, хотя, поскольку это произошло в конце нашего сезона и в основном выполнялось короткими рабочими сессиями по 2-4 часа, в итоге это растянулось на месяц. половина.

Еще одна трудность связана с тем, как мы ориентировали наши трубы. Чтобы получить 30-футовые пробеги, нам пришлось расположить трубы под углом по ширине площадки. Это означало, что мы создали узкий угол на одном конце прогона, что создавало трудности при маневрировании трактора для доставки почвы. Если бы я сделал это снова, я бы, конечно, нашел другой способ обратной засыпки, так что это не было проблемой с более короткими длинами труб от прямых участков.

Поскольку процесс засыпки занял некоторое время, дождь мог задержать процесс засыпки на несколько дней. Полученный грунт для обратной засыпки будет слишком грязным для работы с ним, и после дождей участок высохнет через пару или несколько дней. Обратная засыпка за один или два дня была бы идеальна, но может быть невозможна.

Наконец, состав грунта обратной засыпки и расстояние между ними меня несколько обеспокоили. Согласно тому, что я читал, почва обратной засыпки не должна содержать слишком много глины, так как воздух, проходящий через трубу, может привести к тому, что она создаст своего рода оболочку. Более песчаная почва может быть идеальной, и в будущем, если мы построим другие дома, мы можем принести песок для обратной засыпки. Расстояние между трубами было проблемой, потому что у нас был только 20-футовый коллектор для работы и более 20 труб, которые подходили для каждого участка. Это означало, что трубы были ближе, чем 1 фут от центра. Это не оставило большого пространства для поглощения тепла почвой, но (на сегодняшний день) не повлияло на производительность системы.