Как рассчитать объем воды в системе отопления, радиаторах, трубах.
Расчет объема воды (теплоносителя), заполняющего систему отопления, будет одним из первых при выборе котла.
Это необходимо для понимания какой оптимальный объем может прогреть ваш котел или другой источник тепла. Параметры труб очень сильно влияют на данный показатель: при наличии насоса вы смело можете выбрать трубу меньшего диаметра и установить больше секций отопления.
Если выбрать трубы большого диаметра, то при максимальной мощности котла можно получить недогрев теплоносителя: большой объем воды будет раньше остывать, прежде чем дойдет до крайних точек системы отопления. Что в свою очередь приведет к дополнительным финансовым расходам.
Приблизительный расчет объема воды в системе отопления производится из соотношения 15 л воды на 1 кВт мощности котла.
Чтобы определить какой объем воды нужен для системы отопления дома, рассмотрим простой пример.
Мощность котла 4 кВт, тогда объем системы равен 4 кВт*15 литров = 60 литров. Но необходимо учитывать размеры и количество секций радиаторов при этом.
Если у вас дом на 4 комнаты, то это не значит, что надо ставить по 12-15 секций в каждую: у вас будет очень жарко, котел будет работать неэффективно. Если комнат больше, то и экономить на радиаторах не стоит: 1 современная секция эффективно отдает тепло для 2…2,5 м2 площади.
Как просто определить какой мощности нужен котел для системы отопления дома?
Формулы для расчета объема жидкости (воды или другого теплоносителя) в системе отопления
Объем воды в системе отопления можно рассчитать как сумма составляющих:
V =V(радиаторов)+V(труб)+V(котла)
Объем системы должен учитывать объем воды в трубах, котле и радиаторах. В расчет объема теплоносителя не входит объем расширительного бака.
Объем бачка учитывается при расчете критических состояний работы системы (когда вода будет поступать в него при нагреве).
Формула для расчета объема жидкости в трубе:
V (объем) = S (площадь сечения трубы) * L (длина трубы)
Важно! Размеры могут отличаться у различных производителей, в зависимости от типа трубы, материала, ее технологии производства. Поэтому расчет удобнее вести по реальному внутреннему диаметру трубы, который проще промерить с помощью инструмента. Как правило, такой расчет необходимо выполнять больше специалисту, когда система отопления разветвленная и сильно протяженная.
Сравнение видов водяного отопления дома (с естественной и принудительной циркуляцией).
Объемы воды для различных элементов системы отопления
Объем воды (литры) в секции радиатора
| Материал/тип радиатора | Габариты*: высота×ширина, мм | Объем, л |
| Алюминий | 600×80 | 0,450 |
| Биметалл | 600×80 | 0,250 |
| Современная чугунная батарея (плоский) | 580×75 | 1,000 |
| Чугунная батарея старого образца () | 600×110 | 1,700 |
*ВАЖНО! Габариты в таблице даны ориентировочно.
В большинстве моделей современных производителей они составляют ±20 мм по ширине, высота радиаторов отопления может варьироваться от 200 до 1000 мм.
Объем сильно отличающихся по высоте радиаторов можно приблизительно рассчитать из данной таблицы по правилу пропорции: необходимо объем разделить на высоту и умножить после на высоту выбранной модели. Если система отопления протяженная, то лучше уточнить параметры объема у производителя.
Объем воды в 1 погонном метре трубы
- ø15 (G ½») — 0,177 литра
- ø20 (G ¾») — 0,310 литра
- ø25 (G 1,0″) — 0,490 литра
- ø32 (G 1¼») — 0,800 литра
- ø40 (G 1½») — 1,250 литра
- ø50 (G 2,0″) — 1,960 литра
Также читайте обзор какие трубы лучше всего выбрать.
Основные размеры внутренних диаметров труб (взят ряд значений от 14 до 54 мм), с которыми может столкнуться потребитель.
| Внутренний диаметр, мм | Объем жидкости в 1 м погонного трубы, л | Внутренний диаметр, мм | Объем жидкости в 1 м погонного трубы, л |
| 14 | 0,1539 | 30 | 0,7069 |
| 15 | 0,1767 | 32 | 0,8042 |
| 16 | 0,2011 | 34 | 0,9079 |
| 17 | 0,2270 | 36 | 1,0179 |
| 18 | 0,2545 | 38 | 1,1341 |
| 19 | 0,2835 | 40 | 1,2566 |
| 20 | 0,3142 | 42 | 1,3854 |
| 21 | 0,3464 | 44 | 1,5205 |
| 22 | 0,3801 | 46 | 1,6619 |
| 23 | 0,4155 | 48 | 1,8096 |
| 24 | 0,4524 | 50 | 1,9635 |
| 26 | 0,5309 | 52 | 2,1237 |
| 28 | 0,6158 | 54 | 2,2902 |
Расчет расширительного бака
Основные правила:
- Объем расширительного бака должен быть не менее 10% от объема системы отопления.
Данного объема будет достаточно для расширения теплоносителя при нагреве в пределах 45…80 °С. - Для больших протяженных систем, с высокой температурой теплоносителя, запас по объему должен быть не менее 80% от объема системы отопления. Это актуально для котлов с максимальной температурой теплоносителя выше 80…90 °С, паровых систем отопления от печей.
- Объем расширительного бака с предохранительным клапаном может составлять 3-5% от объема системы отопления. Но при этом важно контролировать его работу: при срабатывании клапана необходимо пополнять систему водой.
- При расчете необходимо учитывать давление в системе. В большинстве случаев для одно и двухэтажных коттеджей оно составляет 1,5…2 атмосферы. Масса готовых баков рассчитаны на данные показатели с запасом. При проектировании системы отопления большого объема, с повышенными характеристиками давления в коммуникациях (для высотных зданий), необходимо учитывать данный параметр.
- Учитывать вид теплоносителя при выборе – обязательно. Чем легче жидкость в системе – тем больший расширительный бак ей требуется.
Данного объема будет достаточно для расширения теплоносителя при нагреве в пределах 45…80 °С.
Чем легче жидкость в системе – тем больший расширительный бак ей требуется.Сравнение: Какой котел выбрать для отопления дома? Достоинства и недостатки.
Виды теплоносителей
- Вода. Самый простой и доступный ресурс. Может использоваться в любых системах отопления. В сочетании с полипропиленовыми трубами – практически вечный теплоноситель.
- Антифриз. Используется для наполнения систем нерегулярно отапливаемых зданий.
- Спиртосодержащие жидкости. Дорогой вариант заполнения системы отопления. Качественные препараты содержат не менее 60% спирта, порядка 30% воды, часть объема занимают другие добавки. Смеси воды с этиловым спиртом с различным процентным содержанием. Незамерзающая жидкость (до -30°С при содержании спирта не менее 45%), но опасна: может гореть, сам этил является ядом для человека.
- Масло. Как теплоноситель сегодня используется в отдельных приборах отопления, но в системах отопления от него отказываются: дорого и тяжело эксплуатировать систему, опасно технологически (необходим долгий разогрев теплоносителя до температуры 120°С и выше). Преимущество – действительно долго остывает, поддерживая температуру в помещении, но основной недостаток – дороговизна теплоносителя.
Преимущество – действительно долго остывает, поддерживая температуру в помещении, но основной недостаток – дороговизна теплоносителя.Радиаторы Royal Thermo
У нас можно приобрести радиаторы итальянской марки “Royal Thermo”.
Алюминиевые радиаторы Royal Thermo Revolution.
Алюминиевый радиатор с революционным соотношением цены и качества! Подходит для применения в индивидуальных системах отопления. При компактных размерах обеспечивает максимально возможную теплоотдачу за счет применения запатентованных технологий PowerShift и беспрепятственной конвекции благодаря волнообразной форме ребер. Особая волнообразная форма оребрения модели REVOLUTION повышает теплоотдачу на 3% за счет беспрепятственного прохождения нагреваемого воздуха при движении внутри радиатора. Дополнительное оребрение на вертикальном коллекторе секции увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Фирменный алюминиевый знак на каждом радиаторе и заводская маркировка каждой секции надежно защищают радиаторы Royal Thermo от подделок.
Высочайшее качество и надежность радиаторов Royal Thermo подтверждены фирменной гарантией 10 лет. Каждый радиатор имеет индивидуальный паспорт и гарантийный талон. Сделано в России.
Технические характеристики:
| Revolution 500 | Revolution 350 | ||
|---|---|---|---|
| Теплоотдача (при ∆T = 70°C) | Вт | 171 | 128 |
| Объем воды в секции | л | 0,370 | 0,290 |
| Давление рабочее | бар | 20 | 20 |
| Межосевое расстояние | мм | 500 | 350 |
| Масса | кг | 1,30 | 1,01 |
| Высота | мм | 570 | 420 |
| Ширина | мм | 80 | |
| Глубина | мм | 80 | 80 |
Цена: 695 р/секция(500 мм).
Алюминиевые радиаторы Royal Thermo DreamLiner.
Алюминиевый дизайн-радиатор. Создан для энергосберегающих систем. Воплощает в себе передовые разработки в области энергосбережения. Повышенная теплоотдача за счет идеального аэродинамического дизайна и применения технологии PowerShift – дополнительных ребер на вертикальном коллекторе. Разработанный IPGDesignStudio (Италия) совместно с экспертами НИИ Сантехники (Россия) аэродинамический дизайн DREAMLINER позволил достичь революционной тепловой эффективности радиатора при компактных размерах. Дополнительное оребрение на вертикальном коллекторе секции увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Фирменный алюминиевый знак на каждом радиаторе и заводская маркировка каждой секции надежно защищают радиаторы Royal Thermo от подделок. Высочайшее качество и надежность радиаторов Royal Thermo подтверждены фирменной гарантией 10 лет. Каждый радиатор имеет индивидуальный паспорт и гарантийный талон. Сделано в России.
Технические характеристики:
| Dreamliner 500 | ||
|---|---|---|
| Теплоотдача (при ∆T = 70°C) | Вт | 175 |
| Объем воды в секции | л | 0,370 |
| Давление рабочее | бар | 20 |
| Межосевое расстояние | мм | 500 |
| Масса | кг | 1,31 |
| Высота | мм | 585 |
| Ширина | мм | 80 |
| Глубина | мм | 87 |
Цена: 715 р/секция.
Алюминиевые радиаторы Royal Thermo Indigo.
Обратная конвекция модели INDIGO. Уникальная конструкция верхней части радиатора INDIGO фор мирует обратно направленный поток горячего воздуха, эффективно отсекающий холод от окон. Эффективная защита от гидроударов. Запатентованная инновационная заглушка повышенной прочности MECC-LAN с нанополимерной мембраной наряду с использованием вертикальных коллекторов круглого сечения гарантирует надежную работу алюминиевых радиаторов Royal Thermo в системах, подверженных частым гидроударам. Повышенная мощность, технология POWERSHIFT®. Патент №122469 Дополнительное оребрение на вертикальном коллекторе секции увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Oxsilan ® 9807 – новое поколение экологически чистого покрытия без тяжелых металлов и фосфатов. Oxsilan ® 9807 наносится на секцию радиатора перед покраской и за счет улучшенной адгезии лакокрасочного покрытия повышает антикоррозийную стойкость и долговечность радиаторов. Сверхстойкая 7-этапная NANO-покраска TECNOFIRMA ®.
Нанесение экологически чистых нанокрасок AkzoNobel (Нидерланды) и FreiLacke (Германия) в семь этапов гарантирует стойкость к механическим повреждениям и обеспечивает долговечность покрытия радиатора в помещениях с повышенной влажностью. Надежная защита от подделок Фирменный алюминиевый знак на каждом радиаторе и заводская маркировка каждой секции надежно защищают радиаторы Royal Thermo от подделок. Абсолютная гарантия 10 лет. Высочайшее качество и надежность радиаторов Royal Thermo подтверждены фирменной гарантией 10 лет. Каждый радиатор имеет индивидуальный паспорт и гарантийный талон. Изготовлено по ГОСТ России. Изготовлено по ТУ-4935-001-14713117-2014 в соответствии с ГОСТ 31311-2005
Технические характеристики:
| Indigo 500 | ||
|---|---|---|
| Теплоотдача (при ∆T = 70°C) | Вт | 188 |
| Объем воды в секции | л | 0,37 |
| Давление рабочее | бар | 20 |
| Межосевое расстояние | мм | 500 |
| Масса | кг | 1,35 |
| Высота | мм | 585 |
| Ширина | мм | 80 |
| Глубина | мм | 100 |
Цена: 755 р/секция.
Биметаллические радиаторы Royal Thermo Revolution Bimetall.
Биметаллический радиатор для центральных систем отопления. Полностью биметаллический радиатор с коллектором из высоколегированной стали предназначен для использования в центральных системах отопления. Благодаря применению технологии PowerShift – дополнительным ребрам на коллекторе – имеет высочайшую для биметалла теплоотдачу. Применение только полностью стальных коллекторов гарантирует надежную работу в системах подверженных гидроударам и с химически агрессивными теплоносителями (в том числе антифризами). Дополнительное оребрение на вертикальном коллекторе секции увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Фирменный алюминиевый знак на каждом радиаторе и заводская маркировка каждой секции надежно защищают радиаторы Royal Thermo от подделок. Высочайшее качество и надежность радиаторов Royal Thermo подтверждены фирменной гарантией 10 лет. Каждый радиатор имеет индивидуальный паспорт и гарантийный талон. Сделано в России.
Технические характеристики:
| Revolution Bimetall 500 | Revolution Bimetall 350 | ||
|---|---|---|---|
| Теплоотдача (при ∆T = 70°C) | Вт | 160 | 122 |
| Давление рабочее | бар | 30 | 30 |
| Объем воды в секции | л | 0,205 | 0,175 |
| Давление опрессовочное | бар | 45 | 45 |
| Давление на разрыв | бар | свыше 200 | свыше 200 |
| Межосевое расстояние | мм | 500 | 350 |
| Масса | кг | 1,82 | 1,42 |
| Высота | мм | 564 | 415 |
| Ширина | мм | 80 | 80 |
| Глубина | мм | 80 | 80 |
Цена: 765 р/секция(500 мм).
Биметаллические радиаторы Royal Thermo BiLiner.
Полностью биметаллический дизайн-радиатор с коллектором из углеродистой стали. Нижние концы ребер расположены по дуге, поэтому холодный воздух эффективно забирается из непрогретых слоев помещения. Разработанный IPGDesignStudio (Италия) совместно с экспертами НИИ Сантехники (Россия) аэродинамический дизайн BILINER позволил достичь революционной тепловой эффективности радиатора при компактных размерах. Применение только полностью стальных коллекторов гарантирует надежную работу в системах подверженных гидроударам и с химически агрессивными теплоносителями (в том числе антифризами). Дополнительное оребрение на вертикальном коллекторе секции увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Высочайшее качество и надежность радиаторов Royal Thermo подтверждены фирменной гарантией 10 лет. Каждый радиатор имеет индивидуальный паспорт и гарантийный талон. Сделано в России.
Технические характеристики:
| BiLiner 500 | ||
|---|---|---|
| Теплоотдача (при ∆T = 70°C) | Вт | 171 |
| Давление рабочее | бар | 30 |
| Давление опрессовочное | бар | 45 |
| Давление на разрыв | бар | свыше 60 |
| Межосевое расстояние | мм | 500 |
| Объем воды | л | 0,205 |
| Масса | кг | 1,85 |
| Высота | мм | 574 |
| Ширина | мм | 80 |
| Глубина | мм | 87 |
Цена: 875 р/секция.
Биметаллические радиаторы Royal Thermo PianoForte.
Эксклюзивный биметаллический дизайн-радиатор для центральных систем отопления. Эксклюзивный запатентованный дизайн-радиатор PianoForte представлен в двух цветах дизайнерской палитры FUTURA мирового лидера в порошковых покрытиях AKZO NOBEL (Голландия). Дополнительное преимущество по сравнению с другими дизайн-радиаторами – это надежная работа в центральных системах отопления. Примененный в конструкции эффект чередования секций с разными углами наклона идеально подчеркивает индивидуальность владельца и за счет фронтальных конвективных окон увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Применение только полностью стальных коллекторов гарантирует надежную работу в системах подверженных гидроударам и с химически агрессивными теплоносителями (в том числе антифризами). Дополнительное оребрение на вертикальном коллекторе секции увеличивает теплоотдачу радиатора на 5%. Высочайшее качество и надежность радиаторов Royal Thermo подтверждены фирменной гарантией 10 лет.
Каждый радиатор имеет индивидуальный паспорт и гарантийный талон. Сделано в России.
Технические характеристики:
| PianoForte 500 | ||
|---|---|---|
| Теплоотдача (при ∆T = 70°C) | Вт | 189 |
| Давление рабочее | бар | 30 |
| Давление опрессовочное | бар | 45 |
| Давление на разрыв | бар | >100 |
| Межосевое расстояние | мм | 500 |
| Объем воды в секции | л | 0,205 |
| Масса | кг | 2.2 |
| Высота | мм | 591 |
| Ширина | мм | 80 |
| Глубина | мм | 100 |
Цена: 1200 р/секция.
Радиаторы всех марок Royal Thermo производятся в России и Италии, на них дается гарантия 10 лет.
Наличие оборудования уточняйте по телефонам: 8-914-468-1834, 8-914-448-9781.
Включение быстрой зарядки – Тепловые аспекты батареи (Журнальная статья)
Кейзер, Мэтью, Песаран, Ахмад, Ли, Кибо, Сантанагопалан, Шрирам, Смит, Кандлер, Вуд, Эрик, Ахмед, Шаббир, Блум, Ира, Дуфек, Эрик, Ширк, Мэтью, Майнц, Эндрю, Кройцер, Кори, Михельбахер, Кристофер, Бёрнем, Эндрю, Стивенс, Томас, Франкфорт, Джеймс, Карлсон, Барни, Чжан, Джиукай, Виджаягопал, Рэм, Харди, Кит, Диас, Фернандо, Моханпуркар, Маниш, Скоффилд, Дон, Янсен, Эндрю Н., Таним, Танвир и Маркел, Энтони. Включение быстрой зарядки – Тепловая защита аккумулятора . США: Н. П., 2017.
Веб. doi:10.1016/j.jpowsour.2017.07.009.
Копировать в буфер обмена
Кейзер, Мэтью, Песаран, Ахмад, Ли, Кибо, Сантанагопалан, Шрирам, Смит, Кандлер, Вуд, Эрик, Ахмед, Шаббир, Блум, Ира, Дуфек, Эрик, Ширк, Мэтью, Майнц, Эндрю, Кройцер, Кори, Михельбахер, Кристофер, Бёрнем, Эндрю, Стивенс, Томас, Франкфорт, Джеймс, Карлсон, Барни, Чжан, Джиукай, Виджаягопал, Рэм, Харди, Кит, Диас, Фернандо, Моханпуркар, Маниш, Скоффилд, Дон, Янсен, Эндрю Н.
, Таним, Танвир и Маркел, Энтони. Включение быстрой зарядки – Тепловая защита аккумулятора . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.009
Копировать в буфер обмена
Кейзер, Мэтью, Песаран, Ахмад, Ли, Кибо, Сантанагопалан, Шрирам, Смит, Кандлер, Вуд, Эрик, Ахмед, Шаббир, Блум, Ира, Дуфек, Эрик, Ширк, Мэтью, Майнц, Эндрю, Кройцер, Кори, Михельбахер, Кристофер, Бёрнем, Эндрю, Стивенс, Томас, Франкфорт, Джеймс, Карлсон, Барни, Чжан, Джиукай, Виджаягопал, Рэм, Харди, Кит, Диас, Фернандо, Моханпуркар, Маниш, Скоффилд, Дон, Янсен, Эндрю Н., Таним, Танвир и Маркел, Энтони. 2017.
«Включение быстрой зарядки - тепловые соображения батареи». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.009. https://www.osti.gov/servlets/purl/1408689.
Копировать в буфер обмена
@статья{osti_1408689,
title = {Включение быстрой зарядки – тепловые характеристики аккумулятора},
автор = {Кейзер, Мэтью и Песаран, Ахмад и Ли, Кибо и Сантанагопалан, Шрирам и Смит, Кендлер и Вуд, Эрик и Ахмед, Шаббир и Блум, Ира и Дуфек, Эрик и Ширк, Мэтью и Мейнц, Эндрю и Кройцер, Кори и Михельбахер, Кристофер и Бернэм, Эндрю и Стивенс, Томас и Франкфор, Джеймс и Карлсон, Барни и Чжан, Джиукай и Виджаягопал, Рам и Харди, Кит и Диас, Фернандо и Моханпуркар, Маниш и Скоффилд, Дон и Янсен, Эндрю Н.
и Таним, Танвир и Маркел, Антоний},
abstractNote = {Тепловые барьеры батареи пересматриваются с точки зрения экстремально быстрой зарядки. Современные системы управления температурным режимом аккумуляторных электромобилей неадекватны для ограничения максимального повышения температуры аккумулятора во время экстремально быстрой зарядки. Если система управления тепловым режимом батареи спроектирована неправильно, температура элементов может достичь критической температуры и потенциально привести к тепловому разгону элементов. Кроме того, конструкция соединения элемента и батареи должна быть улучшена, чтобы соответствовать ожиданиям потребителя в течение всего срока службы. Каждый из этих аспектов исследуется и решается, а также указывается, где в ячейке выделяется тепло, эффективность силовых и энергетических ячеек, а также какие типы решений для управления температурой аккумуляторов доступны на современном рынке. Здесь управление температурным режимом не является ограничивающим условием в отношении экстремально быстрой зарядки, но необходимо учитывать многие факторы, особенно для будущих элементов с высокой удельной плотностью энергии, чтобы соответствовать целям Министерства энергетики США по стоимости и объему.
},
doi = {10.1016/j.jpowsour.2017.07.009},
URL-адрес = {https://www.osti.gov/biblio/1408689},
журнал = {Журнал источников энергии},
ISSN = {0378-7753},
число = С,
объем = 367,
место = {США},
год = {2017},
месяц = {10}
}
Копировать в буфер обмена
Управление температурным режимом батареи: стандартизируйте и властвуйте
Начнем новый год с тепла — узнайте об управлении температурным режимом батареи с экспертами д-ром Аластером Хейлзом, доктором Ятишем Пателем и профессором Грегом. Предложение 🔥 Если вам понравился этот информационный бюллетень, поделитесь с нами и подписаться!
Аккумуляторы электромобилей (EV) содержат сотни или тысячи литий-ионных элементов, каждый из которых при работе выделяет тепло. Скорость выделения тепла ячейкой зависит от работы ячейки и состава ячейки. Более энергичные «ездовые циклы» требуют большей мощности, что приводит к большому количеству тепла.
Ячейки с энергоемким составом обычно ассоциируются с более высоким сопротивлением, потому что они содержат больше «активного материала» и меньше токосъемников на единицу объема, чем их аналоги с высокой скоростью. Следовательно, они будут генерировать больше тепла для данного ездового цикла. Далее, чем больше плотность энергии, тем меньше объем, в котором выделяется единица тепла.
Выделению тепла от аккумуляторов противостоят системы управления температурным режимом, которые пытаются свести к минимуму изменения температуры в аккумуляторных блоках электромобилей. Их производительность должна соответствовать производительности аккумуляторной батареи, чтобы соответствовать требуемой скорости отвода тепла. Там, где ожидается большее выделение тепла из-за интенсивных циклов движения или более энергоемких элементов, система управления температурным режимом должна быть более мощной. За исключением литий-ионных элементов (обычно 55–75 % массы аккумуляторной батареи), система управления температурным режимом вносит наибольший вклад в массу аккумуляторной батареи.
Этот вклад может достигать 20 % от общей массы аккумуляторной батареи — это будет равняться почти 100 кг в электромобилях большой дальности. Повышенная эффективность системы и уменьшенная масса будут в значительной степени способствовать увеличению крайне важной удельной энергии аккумуляторной батареи в целом, измеряемой в Втч/кг.
Тепловыделение аккумуляторных батарей значительно увеличилось с тех пор, как десять лет назад появились первые электромобили. Это связано с ежегодным увеличением удельной энергии и все более высокими требованиями к мощности, особенно в отношении «быстрой зарядки». Возьмем, к примеру, Tesla:
Удельная энергия текущей модели дальнего действия Model 3 (с 2018 г. по настоящее время) составляет 181 Втч/кг .
Это на 53 % выше, чем удельная энергия оригинального родстера (2006–2010 гг.), 118 Втч/кг .
Кроме того, Roadster будет полностью заряжаться в течение 3,5 часов при скорости 15 кВт , тогда как Model 3 может получить 70% заряда всего за 25 минут при скорости 126 кВт .
Это 8-кратное увеличение зарядной мощности не говорит всей истории, поскольку тепловыделение от аккумуляторной батареи зависит от квадрата текущего расхода. Даже принимая во внимание меньшее внутреннее сопротивление, связанное с самыми современными элементами и технологиями упаковки, по самым скромным оценкам, сегодня системы управления температурным режимом работают в 20-30 раз интенсивнее, чем десять лет назад.
Рисунок 1. Среднерыночная удельная энергоемкость упаковки в год с 2010 г.Высокая удельная энергоемкость упаковки и высокая скорость зарядки играют решающую роль в продвижении электромобилей на массовый глобальный рынок, поскольку они являются лучшими инструментами для устранения беспокойства потребителей о запасе хода. Ячейки с высокой плотностью энергии и высокоскоростная зарядка не только останутся, но и будут предъявлять постоянно растущие требования к системе управления температурным режимом в течение многих лет.
Рост тепловыделения аккумуляторных батарей в последние годы создал проблему для производителей электромобилей, поскольку инфраструктура и механизмы для повышения производительности систем управления температурным режимом не были встроены в конструкцию шасси первого поколения электромобилей.
Nissan Leaf представляет собой хороший пример, когда в 2011 году, когда автомобиль был впервые выпущен, была выбрана пассивная система управления температурным режимом с воздушным охлаждением. Это имело смысл: легкая, маломощная система увеличивала удельную энергию аккумуляторной батареи, увеличивая производительность автомобиля и запас хода. Недорогое воздушное охлаждение снизило цену для потребителя, что еще больше способствовало коммерческому успеху Leaf. Тем не менее, производительность литий-ионных элементов и требования потребителей догнали Leaf — самая последняя версия не может быстро заряжаться в теплую погоду, потому что пассивное воздушное охлаждение плохо работает, когда автомобиль стоит. В этом году Nissan пересмотрела свой подход, выпустив Ariya с системой управления температурным режимом жидкостного охлаждения.
Подобные тенденции можно наблюдать более широко в индустрии электромобилей. Устаревшие концепции управления температурным режимом внедряются во все более сложные системы, направленные исключительно на снижение риска теплового разгона.
Это привело ко многим ограничениям производительности упаковки, о чем легко сообщается в академической литературе. Надежные системы управления температурным режимом способствуют возникновению температурных градиентов по всей упаковке, что приводит к дисбалансу между ячейками и ограничивает доступ к накопленной энергии. Тем временем колебания температуры ускоряют износ батареи. Оба способствуют значительному сокращению запаса хода и производительности электромобиля по сравнению с заявлениями производителя.
Консорциум передовых аккумуляторов США, действующий в соответствии с соглашением о сотрудничестве с Министерством энергетики США, оспорил допустимое распределение температуры и опубликовал набор целей системы терморегулирования. Шаг, который подчеркивает осведомленность ведущих автопроизводителей о проблеме тепловыделения и неравномерного распределения температуры, направлен на достижение максимального температурного градиента 3°C в каждой ячейке и во всем аккумуляторном блоке.
Первое поколение электромобилей, выпущенных крупными производителями автомобилей, содержало широкий спектр систем управления температурным режимом, которые значительно различались по концепции и дизайну от одной модели электромобиля к другой. Каждый производитель нашел свои собственные методы извлечения достаточного количества тепла из своих элементов, чтобы обеспечить их безопасность.
Первые Chevrolet Volt и BMW i3 использовали охлаждающие пластины, установленные на поверхности каждой ячейки подсумка.
Audi реализовала «базовое» охлаждение своих больших призматических ячеек.
Tesla использует свою «змеевидную» систему охлаждения с 2006 года, с трубками, намотанными на аккумуляторную батарею и контактирующими с поверхностью каждой цилиндрической ячейки.
Можно утверждать, что будущие аккумуляторы, такие как твердотельные аккумуляторы, будут выделять меньше тепла и в конечном итоге могут устранить потребность в дорогостоящих системах управления температурным режимом.
Однако из-за отсутствия коммерчески доступных ячеек большого формата с независимыми проверенными данными о производительности недостаточно доказательств в поддержку этого утверждения. Кроме того, в будущем они вряд ли заменят существующие литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом. Дональд Садоуэй, профессор химии материалов Массачусетского технологического института, резюмировал в недавнем интервью Forbes, что « (твердотельные) технологии должны быть масштабируемыми и компетентными. При нынешних технологиях к 2030 году не будет доступных электромобилей для создания массового рынка, абсолютно необходимого для чистого нуля (CO2) 90 102 ». Аккумуляторы с жидкофазным электролитом, вероятно, будут доминировать на рынке в течение многих лет.
Но какая система терморегулирования работает лучше всего? Термин «тепловые характеристики» является общим, но ценным: система элементов или батарей с хорошими тепловыми характеристиками будет выделять меньше тепла и иметь лучшие механизмы отвода тепла по сравнению с системой с низкими тепловыми характеристиками.
Проблема заключается в том, что сопоставить тепловые характеристики аккумуляторной батареи с фактическими характеристиками трансмиссии сложно, когда конструкция каждой системы управления температурным режимом уникальна.
Ускоряют ли большие призматические элементы Audi износ аккумуляторной батареи, поскольку в каждом элементе возникают значительные температурные градиенты? Или тысячи маленьких элементов, как в BMW, Chevrolet или Tesla, делают невозможным устранение температурных градиентов аккумуляторной батареи, способствующих снижению производительности аккумуляторной батареи на протяжении всего срока ее службы? Мы не сможем ответить на эти вопросы, пока не сможем отделить вклад тепловых свойств ячейки от производительности всей системы управления температурным режимом.
Архитектура электромобиля становится все более стандартизированной, что приводит к унификации конструкции систем управления температурным режимом. Почти все крупные производители электромобилей в настоящее время внедряют шасси «скейтборд», в котором аккумуляторная батарея распределяется по полу автомобиля.
В свою очередь, это наложило жесткие ограничения на разработку систем управления температурным режимом. BYD запатентовала свою удлиненную «ячейку лезвий», ориентированную по всей ширине шасси, при этом их нижние края сидят на охлаждающих пластинах, расположенных вдоль основания автомобиля. В Европе VW group и JLR следуют этому примеру с модульными системами, которые также используют управление температурой «краевого охлаждения» на ячейках пакета.
Последние сообщения от GM предполагают, что их будущий парк также будет использовать такое же шасси для скейтборда («глобальная платформа») и ту же систему управления температурным режимом.
Рис. 4. Совершенно новая «глобальная платформа» GM, представленная на недавнем мероприятии рынок электромобилей. Это может сместить акцент оптимизации конструкции с производителя электромобиля на производителей ячеек — ячейка с плохими тепловыми характеристиками больше не сможет прятаться внутри чрезмерно спроектированной системы управления температурой.
Как индустрия электромобилей может использовать это для инноваций и ускорения глобальной электрификации транспорта?Когда температурные характеристики на уровне клеток станут решающими?
Нынешняя ситуация с производством аккумуляторов не отличается разнообразием: 91 % аккумуляторов, произведенных в 2020 году (в пересчете на ГВтч с конвейера), произведено всего шестью компаниями. Эти шесть компаний сегодня являются единственными жизнеспособными поставщиками аккумуляторных батарей для электромобилей. Два крупнейших OEM-производителя, VW group и GM, поставляются компанией LG Chem. Пока это так, разница в производительности элементов в соответствующих батарейных блоках, вероятно, будет минимальной. Сравнение почти идентичных клеток неинтересно для исследователей и неактуально для потребителей, поэтому мы сосредоточимся на других вещах.
Рисунок 5. Рыночная доля ведущих производителей аккумуляторов в 2020 г. в ГВтч Грядут изменения. Новые и более мелкие производители ячеек расширяются, в конечном итоге предоставляя производителям электромобилей более широкий выбор.
Хотя прогнозы долгосрочной ситуации в секторе производства элементов питания предполагают, что сегодняшние доминирующие игроки будут существовать еще какое-то время, темпы расширения рынка позволяют новым производителям присоединиться к партии. Возвращаясь к предыдущему сравнению, VW выделила Northvolt 14 миллиардов долларов, намереваясь стать их основным поставщиком ячеек в следующие пять лет. Тем временем GM и LG Chem инвестируют 2,3 миллиарда долларов в расширение своих производственных мощностей в Северной Америке, что предполагает партнерство между GM и корейским гигантом на долгие годы. Northvolt и LG Chem будут конкурировать по плотности энергии элементов, мощности и цене за кВтч — конкуренция между производителями элементов на этих фронтах продолжается уже более десяти лет, и каждый показатель напрямую влияет на производительность аккумуляторных батарей. Тем не менее, есть веские аргументы в пользу того, что они также должны конкурировать по тепловым характеристикам, учитывая преимущества производительности аккумуляторных батарей, которые могут быть реализованы, когда управление температурным режимом рассматривается наряду с традиционными показателями оптимизации ячеек.
Показатель для эталонного измерения тепловых характеристик элемента, так же как плотность энергии для эталонного измерения емкости аккумулятора, является следующим шагом на критическом пути к лучшему управлению тепловым режимом батареи. Установленные тепловые показатели, такие как число Био или тепловое сопротивление, заимствованы из других областей техники. Они не могут отразить уникальное рабочее поведение литий-ионных элементов, потому что описывают передачу тепла от одной точки к другой. Напротив, литий-ионные элементы должны отводить тепло, выделяемое неравномерно по всему их объему.
Коэффициент охлаждения элемента (CCC) был введен в качестве основы для теплового показателя специально для литий-ионных элементов. Он определяет скорость отбора тепла из любой ячейки и не зависит от геометрии ячейки, что означает, что можно сравнивать две разные ячейки. CCC не предназначен для количественной оценки теплового состояния ячейки в реальных условиях эксплуатации.
Вместо этого он предназначен для обеспечения единственного значения производительности для любой ячейки, которое затем можно использовать для сравнения с любой другой ячейкой. Недавнее исследование , подчеркивающее взаимосвязь между хорошей CCC и более длительным сроком службы батареи, оправдывает изучение возможностей включения тепловых характеристик в конструкцию всех будущих аккумуляторных батарей.
Коэффициент охлаждения ячейки — это всего лишь ступенька к отслеживаемому и признанному показателю тепловых характеристик. Национальная физическая лаборатория Великобритании в настоящее время поддерживает будущую разработку показателя тепловых характеристик с долгосрочной целью создания стандарта. Индустрия электромобилей быстро расширяется, но по-прежнему быстро адаптируется к научным инновациям и новым бортовым технологиям. Крайне важно, чтобы стандарт тепловых характеристик стал реальностью до того, как проектные граничные условия и производственные линии будут закреплены в камне.
Добавление тепловых характеристик к каждой спецификации батареи само по себе не является решением. Предположим, что этот стандарт не понят или не признан ключевыми заинтересованными сторонами в аккумуляторной отрасли. В этом случае это не повлияет ни на конструкцию будущих батарей, ни на производительность будущих систем управления температурным режимом. Эффективная стратегия включения тепловых характеристик в конструкцию элементов и блоков батарей требует взаимодействия с такими группами, как Консорциум передовых батарей США, чтобы концепции могли соответствовать требованиям рынка. Потенциальная отдача огромна. В 2021 году в аккумуляторную промышленность было вложено 17 миллиардов долларов корпоративного финансирования. В период с 2010 по 2020 год плотность энергии на уровне клеток почти утроилась (годовой темп роста составлял около 10%), но до 45% плотности энергии на уровне клеток теряется. поскольку элементы встроены в аккумуляторные батареи. Эти потери должны быть изучены и уменьшены.