Экономия энергии в системах электроотопления

Главный аргумент против электроотопления – низкий кпд преобразования различных видов энергии (преимущественно энергии органического топлива) в электрическую энергию

А РОЙЗЕН
Павел ОВЧАРЕНКО

Применение электрической энергии для обогрева жилых, общественных и производственных помещений зачастую встречает резкое возражение профессиональных энергетиков. Нормативные документы Энергонадзора предусматривают разрешение на использование электроэнергии для целей отопления в исключительных случаях, с предоставлением, как правило, технико-экономического обоснования, из которого следовала бы экономия топливной составляющей. Такое отношение к электрообогреву сложилось с момента возникновения первой электростанции и остаётся неизменным до настоящего времени. Возражение понятно: большинство электростанций, включая атомные, – это тепловые станции; коэффициент полезного действия (кпд) преобразования тепловой энергии в электрическую составляет примерно 40%.

Превращать высококачественный вид энергии, полученный в ходе преобразования, снова в тепло неразумно. Неразумно, когда есть выбор…

Выбираем электрообогрев

Итак, главный аргумент против электроотопления – низкий кпд преобразования различных видов энергии (преимущественно энергии органического топлива) в электрическую энергию.

В пользу применения электрического отопления говорят следующие его достоинства:

- легкая управляемость тепловыми режимами, что имеет решающее значение в вопросе энергосбережения, поскольку, как известно, порядка 90% экономии энергии достигается за счёт управления энергией. При этом под управлением понимается не только функция терморегулирования, но и такие функции, как подача тепла по временным и температурным программам, как учёт существенно нестационарных условий – словом, управление в широком смысле;

- многовариантность исполнительных решений;

- отсутствие теплотрасс и связанных с ними проблем, в том числе проблемы теплопотерь;

- низкие эксплуатационные затраты;

- независимость потребителя от централизованного поставщика тепла, от такого понятия, как отопительный сезон.

Перечень достоинств можно было бы продолжить.

Что же перевешивает? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно немного поговорить о первичном топливе. Бесперспективность обогрева помещений нефтепродуктами и газом вряд ли стоит обсуждать: этих возобновляемых ресурсов мало и они стремительно убывают, к тому же нефть и газ – ценное сырьё химической промышленности. Основные надежды следует связывать с углём и ядерным топливом. Что касается угля, то порядка 80% его запасов находятся в восточной части нашей страны, тогда как 80% потребности в нём сосредоточено в западной части. Удельная теплота сгорания углей канско-ачинского, экибастузского бассейнов, челябинского угля – довольно низкая, на 35-40% больше, чем у сухих дров и вдвое меньше, чем у антрацита, запасы которого у нас практически истощились. Везти через всю страну «дрова», наверное, недёшево, недёшево обойдется и обогащение угля. Целесообразнее, по-видимому, сжигать уголь на месте, получать электрическую энергию и транспортировать её по проводам. Здесь, конечно, нужно решить ряд серьёзных задач – это и сверхвысоковольтные линии электропередач и мощные тепловые электростанции и проблемы экологии и другие проблемы, не менее важные и не менее сложные. Одно понятно: энергия этих углей придёт к потребителю в виде электрической энергии.

Запасы (разведанные) ядерного топлива в России, измеренные в энергетических единицах, на порядок превышают запасы нефти. Но, во-первых, строительство тепловых атомных станций целесообразно привязать к довольно крупным населённым пунктам, во-вторых, масштабное строительство атомных станций обострит проблему утилизации ядерных отходов. Если же говорить об обеспечении энергией потребителей достаточно удалённых от атомной станции, то речь может идти, конечно, о транспортировке только электрической энергии.

Использование для обогрева энергии возобновляемых источников (гидроэнергия, ветроэнергия) трудно представить без преобразования этой энергии в электрическую.

Таким образом, при выборе источника обогрева одного учёта кпд преобразования недостаточно. Между тем, ограниченное использование электричества в системах отопления сдерживает развитие культуры его применения.

Опыт применения электричества

В течение последних десяти лет предприятие «Ассоциация радиоэлектрофизиков», одним из первых учредителей которого был Полярный геофизический институт Кольского научного центра Российской Академии наук, занимается проблемой электроотопления. Накопился определённый опыт.

Заметную экономию энергии даёт применение электроконвекторов с повышенной скоростью конвекции. Был разработан и запущен в серийное производство электроконвектор ЭКСП 0,5-220, в котором нагревательный элемент мощностью 0,5 КВт представляет собою тонкую слюдопластовую пластину размером 400х200 мм с запрессованной внутрь нихромовой проволокой. Проволока размещается неравномерно таким образом, чтобы вдоль узкой стороны пластины возникал температурный градиент. Пластина устанавливается вертикально внутри корпуса, образующего конвективную полость. Температура поверхности пластины достигает 200^о С, при этом скорость конвекции столь велика, что сухой возгонки органики, попадающей на поверхность нагревательного элемента, не происходит и воздушная среда остаётся в пределах санитарных норм, температура корпуса нагревательного прибора не превышает 60^о С.

Интенсивная конвекция в определённой степени препятствует горизонтальной стратификации температурных слоёв воздуха и, следовательно, способствует энергосбережению. Дело в том, что скопление более тёплого воздуха в верхней части помещения ведёт к дополнительным теплопотерям и не только за счёт удаления воздуха вентиляционной системой (вентпроёмы, как правило, располагаются в верхней части помещения), а также из-за открывающихся дверей, фрамуг и форточек.

Применение сравнительно маломощных конвекторов также способствует энергосбережению, поскольку источники тепла можно рассредоточить по помещению и уменьшить время распределения тепла в условиях прерывистой его подачи, о чём несколько подробнее будет сказано ниже. Включение в состав системы отопления терморегуляторов, безусловно, уменьшает энергозатраты, однако эффективность терморегуляции сильно зависит от схемного решения. Так, нагревательные приборы, оборудованные терморегуляторами и установленные, скажем, в гостиничном номере, удобны и эффективны. Те же приборы, установленные в производственных помещениях, не будут эффективны: понадобится специальный персонал для обслуживания этих обогревателей, особенно если их много. В этом случае лучше оборудовать одним терморегулятором группу (анфиладу) помещений с однородными отопительными характеристиками. Объединяя помещения, следует учитывать их расположение относительно сторон света, суточного (недельного) графика рабочего времени, графика регулярных проветриваний, другие особенности. Всё это необходимо для того, чтобы тепло подавалось в помещения по программе. То есть, ещё одним непременным условием энергосбережения является наличие в системе отопления таймерных устройств. Подача тепла по программе и точное отслеживание температуры снижают общие энергозатраты, укорачиваются периоды непреднамеренных перегревов.

Особенно это существенно в нестационарных условиях. Точному отслеживанию температуры способствует применение нагревательных приборов, обеспечивающих быструю реакцию на изменяющуюся температуру в помещении. Этому требованию в большой степени соответствует прибор ЭКСП 0.5-220. Кроме того, применение двузоновых или многозоновых температурных режимов способствует уменьшению интегрального значения температуры элементов обогреваемого здания и, следовательно, к снижению теплопотерь.

Для компенсации дискомфорта, возникающего за счёт несколько большего поглощения инфракрасного излучения охлаждёнными внутренними поверхностями здания, необходимо повышать на 1-2о С температуру воздуха в помещении в сравнении с комфортным значением, но поскольку масса воздуха в сотни раз меньше массы элементов здания, а удельные теплоёмкости воздуха и материалов строительных конструкций почти не отличаются, такая мера не наносит существенного ущерба энергосбережению.

В тех мероприятиях, о которых сказано выше, нет элементов какой-то особенной новизны, но опыт применения этих мер показал возможность экономии до 50% энергии в сравнении с энергозатратами при обогреве от систем централизованного отопления. В этом коротком сообщении нет смысла анализировать состояние систем централизованного теплоснабжения, об этом уже сказано немало. Здесь и плачевное состояние котельных, устаревшие котлы, устаревшие технологии сжигания топлива, ветхие и плохо изолированные теплотрассы. Хочется обратить внимание на те недостатки традиционного централизованного отопления, которые не позволяют или сильно затрудняют применение энергосберегающих технологий и которые нередко и беспричинно переносят на системы электроотопления.

В системах централизованного теплоснабжения (ЦТС) в качестве теплоносителя применяется вода. Удельная теплоёмкость воды очень велика и, следовательно, велика тепловая инерция теплоносителя, что делает невозможной быструю реакцию источника тепла на изменение температуры в помещении. Применение воды требует настройки системы в отношении её гидроустойчивости. Последнее обстоятельство затрудняет индивидуальную регулировку отдельных теплоприборов, а регулировка подачи теплоносителя на здание в целом или даже на отдельные стояки является грубой регулировкой. К слову сказать, в большинстве систем ЦТС в лучшем случае регулировка присутствует в котельной и регулирует температуру системы в целом. Такая регулировка не очень-то способствует энергосбережению, и её последствия часто проявляются в том, что жильцы верхних этажей здания задыхаются от жары, держат постоянно открытыми форточки, тогда как жильцы нижних этажей жалуются на дефицит тепла.

При создании систем электроотопления нередко применяются водяные электрокотлы с водяной разводкой и водяными батареями, создаются автономные электрокотельные. В результате потребитель получает отопление со всеми недостатками, свойственными системам ЦТС. Если это не продиктовано специальными требованиями к отоплению, связанными со спецификой эксплуатации здания, то применять такие системы не следует.

По причине тепловой инерции не способствует энергосбережению и применение масляных электрообогревателей.

О теплоаккумулировании

Теплоаккумулирование можно осуществлять и применять различными способами. Здесь под теплоаккумулятором понимается устройство, в котором запасается тепловая энергия, которая затем расходуется по избранной программе.

Широкомасштабное применение теплоаккумулирования способствует энергосбережению и улучшению работы энергосистемы в целом.

Энергетикам это хорошо известно. Заряжаются теплоаккумуляторы в периоды минимумов потребления энергии, а в периоды максимумов нагрузок на энергосистему они энергии не потребляют. Такой режим облегчает работу генераторов и уменьшает значение реактивных токов, а значит и потерь в линиях электропередач. Для потребителя применение теплоаккумулирования выгодно в связи с существованием ночного тарифа на электроэнергию, значительно более низкого по сравнении с дневным. Конечно, систему двузоновых и многозоновых тарифов необходимо ещё совершенствовать и поощрять, но уже при существующей системе можно добиться некоторых успехов в энергосбережении.

Основным препятствием распространения электронагревательных приборов с теплоаккумулирующей способностью являются относительно высокая стоимость (порядка 10 центов за 1 КДж), а также их несовершенство в отношении удельных массовых и объёмных параметров. Так, теплоаккумулятор, произведённый в Нижнем Тагиле, запасает около 65 тыс. КДж энергии, весит 150 кг, а система электроотопления комплектуется шкафом управления весом 85 кг. Удельная цена на прибор, по нашим сведениям, составляет примерно 30 центов за 1 КДж.

Нами разработан и подготовлен к серийному производству теплоаккумулятор, в котором около половины запасаемой энергии составляет доля энтальпии фазового перехода солевой эвтектики. Общий объём запасаемой энергии составляет 54 тыс. КДж. Вес «печки» составляет 94 кг, шкаф управления не требуется. Удельная цена составит примерно 15 центов за 1 КДж. Разработана программа снижения себестоимости до уровня 10 центов за 1 КДж. Стоимость самой солевой эвтектики составляет примерно 0,1 цента на 1 КДж. В настоящее время в стадии разработки находится вопрос сезонного накопления энергии.

Сезонный теплоаккумулятор и ветросиловая установка

Использование ветра в качестве маломощного источника энергии привлекает сравнительной простотой создания ветросиловой установки. На самом деле, простота имеет место тогда, когда наряду с ветроэнергией потребитель имеет доступ к другим источникам, главным образом к государственной энергосистеме. Постоянные ветры дуют на побережьях морей и океанов. Протяженность береговых линий России достаточно велика, но населения вдоль этих берегов очень мало. В центре России мест с постоянными интенсивными ветрами мало, а плотность населения большая, при этом огромное количество жилых помещений обогревается печным отоплением, а там, где есть газ – АОГВ (газовый котёл). Следует заметить, что в тех странах, например в США, где ветроресурсов достаточно много, где функционируют целые ветропарки, доля ветроэнергии в общем объёме вырабатываемой энергии не превышает 3%, стоимость этой энергии почти втрое превышает стоимость энергии, вырабатываемой тепловыми станциями. В странах, где ведётся масштабное строительство ветропарков, оно поддерживается правительствами этих стран и имеет, в основном, экологический контекст. Высокая стоимость ветроэнергии, в значительной мере связана со стремлением добиться высокого качества энергетических параметров (стабильность амплитуды, фазы, частоты) соответствия параметрам Энергетических систем. Для иллюстрации приведём пример того, во что обходится буферное аккумулирование энергии.

Предположим, что потребность в энергии составляет 1 КВт/час, т. е. 24 КВт/час в сутки. Удельная энергоёмкость рядовых кислотных или щелочных аккумуляторов составляет 20-25 Вт/час или 72-90 КДж на 1 кг веса. Учитывая, что аккумулятор желательно разряжать примерно до половины его ёмкости и предположив, что в течение одних суток стоит безветренная погода, получим аккумуляторную батарею массой около 2000 кг, при этом стоимость 1 КДж составит примерно 2,5 цента. Такой аккумулятор будет стоить порядка 3500$. Если аккумулятор прослужит пять лет, то в составе цены «ветрокиловатт/часа» 8 центов будет составлять стоимость буферного аккумулятора. Если же штиль продлится ещё на одни сутки, то стоимость 1 КВт/час удвоится и т. д. Отсюда понятно, почему ветроэлектрические установки в России не распространены. Сравним перечисленные показатели с аналоговыми для теплоаккумулирующей установки. Удельная энергоёмкость солевой эвтектики при температуре 700^о С находится на уровне 800 КДж/кг, то есть, на порядок больше, чем у электрохимического аккумулятора.

Удельная стоимость буферного теплоаккумулятора будет находиться на уровне 0,4 цента за 1 КДж, а стоимость всего аккумулятора составит примерно 300$. Срок службы - не менее 10 лет. Таким образом, «вклад» теплоаккумулятора в стоимость 1 КВт/час составит 0,35 цента. Наконец, применение теплоаккумулятора не требует обеспечения стабильных амплитуды, фазы, частоты напряжения на выходе ветрогенератора, что также снижает его стоимость.

Спрос на автономные ветротепловые установки существенно возрастёт в случае применения сезонных аккумуляторов. Пути создания таких аккумуляторов известны, конкретные решения находятся в стадии разработки.

Теплоаккумулирующий электронагревательный прибор

В настоящем сообщении излагаются цели и причины, побудившие к созданию такого электронагревательного прибора, способ достижения поставленной цели. Излагаются основные принципы построения прибора, приводятся главные технико-экономические показатели, даётся сравнение с аналогичным прибором.

Известно, что потери в энергосистемах имеют тенденцию из года в год расти. Так, по открытым справочным данным потери в 1984 году составили 9,5%, из них 65% потерь – это потери в сетях. В свою очередь, львиная доля этих потерь приходится на реактивные токи в линиях электропередач, что связано с разгрузкой генерирующих мощностей.

Разгрузка генерирующих мощностей неблагоприятно сказывается и на работе электростанций, снижается кпд генераторов и, следовательно, увеличивается доля потерь. Все это хорошо известно энергетикам и потому генерирующим и транспортирующим электроэнергию организациям выгодна равномерная нагрузка энергосистем. Поскольку в ночные часы имеет место спад энергопотребления, энергетиками применяется тарифная льгота, стимулирующая потребление в эти часы. Так, в Мурманской области стоимость 1 КВт/час для населения (в ценах мая месяца 2006 г.) в период с 23 до 7 часов составляет 41 коп. (при установке двухтарифного учёта). Если принять теплотворную способность мазута равной 11000 Ккал/кг, кпд котлов равным 85% и пренебречь потерями на теплотрассах, то стоимость мазута, необходимая для производства 1 КВт/час энергии составит 81 коп., стоимость мазута, стоимость природного газа – 18 коп., угля (антрацит) – 16 коп. При этом электроэнергию мы получаем в готовом виде, а перечисленные выше энергоносители необходимо еще преобразовать в тепло и доставить потребителю. Сюда же добавятся эксплуатационные затраты, значительно превышающие затраты на обслуживание электроотопления.

Заметим, что основная часть энергии, потребляемой населением, расходуется на обогрев жилых помещений, следовательно, в ночные часы выгодно для обогрева применять электрическую энергию. При этом источник тепла должен обладать способностью за время действия льготного тарифа выделять тепло и одновременно запасать определённое количество тепла с тем, чтобы в остальные часы обогревать помещения не потребляя энергии из сети, то есть прибор должен быть теплоаккумулирующим.

Относительная дешевизна энергии не освобождает разработчиков систем отопления от решения задач энергосбережения. Одним из главных достоинств электроэнергии является хорошая управляемость её потреблением, и именно управление энергией позволяет добиться наибольшей экономии. Известно, что из каждого сэкономленного киловатта энергии 90% экономится за счёт управления энергией. Отсюда следует, что расход тепла, запасённого теплоаккумулирующим прибором должен быть управляемым.

Объём запасаемой энергии пропорционален эквивалентной удельной теплоёмкости среды, в которой запасается энергия, массе этой среды и предельной температуре, до которой она нагревается. Удельная теплоёмкость определяется химическими параметрами вещества, и выбор таких веществ достаточно ограничен. Ограничение на величину применяемой температуры накладывают термическая стойкость применяемых материалов, а также соображения безопасности и соблюдения санитарно-гигиенических норм. Увеличение массы прибора создаёт ряд неудобств при транспортировке и монтаже и неизбежно ведёт к увеличению габаритов прибора. Другими словами, необходимо добиться высоких удельных тепломассогабаритных характеристик прибора.

Удовлетворение всем вышеперечисленным требованиям существенно влияет на стоимость прибора. Разработчику необходимо таким образом оптимизировать подбор материалов, технологий и конструкторских решений, чтобы без ущерба для надёжности, долговечности, эргономичности и эстетичности прибора не перешагнуть планку разумной цены. Разумная цена определяется реальной себестоимостью прибора, сроком его окупаемости, сроком службы, конъюнктурой рынка.

И, наконец, разработчику необходимо предусмотреть порядок утилизации отработавшего свой срок прибора.

Предприятие ООО «Ассоциация радио-электрофизиков» (разработчик А. М. Ройзен) подготовило к серийному производству теплоаккумулирующий электронагревательный прибор ФПТА 2-1-3-05 и его модификации ФПТА 2-0,5-2-05 и ФПТА 2-0.8-2.5-05, образующих мощностной ряд. Ниже приводятся основные характеристики приборов:

Наименование прибора ФПТА 2-1-3-05 ФПТА 2-0.8-2.5-05 ФПТА 2-0.5-2-05

Параметры

Сеть (промышл. 50 ГЦ) 380/220V, 3/1 фазы 220V, 1 фаза 220V, 1 фаза

Потр.мощн.зарядки (КВт) 3.0 2.5 2.0

Запасаемая энергия (КДж) 64800 (18 КВт/час) 54000 (15 КВт/час) 37800 (10,5 КВт/час)

Габариты (мм) 760 х 788 х 240 660 х 788 х 240 460 х 788 х 240

Масса (кг) 94 78 63

Срок службы (лет) 20 20 20

Главной отличительной особенностью прибора является использование теплоёмкости фазового перехода эвтектической смеси. Переход теплоаккумулирующего вещества под воздействием высокой температуры поверхности ТЭНа из твёрдого состояния в жидкое на стадии зарядки аккумулятора сопровождается значительным поглощением энергии с последующим её выделением на стадии разрядки в процессе перехода смеси из жидкого состояния в твёрдое и дальнейшее остывание всей разогретой массы.

В качестве теплоаккумулирующего вещества выбрана эвтектика с температурой плавления около 300^о С и энтальпией фазового перехода около 300 КДж/кг/град. Предельная температура на стадии зарядки составляет 400^о С. Прибор оснащён электронным контролем температуры и защищён от перегрева термоотключателем. Теплоаккумулирующее ядро окружено несколькими слоями теплоизоляции, которые обеспечивают нормативную температуру поверхности прибора, доступную для прикосновения, и образуют воздуховодные полости для вывода тепла. Тепло выводится с помощью двух малошумящих вентиляторов. Команды на выключение вентиляторов формируются в соответствии с выбором значения температуры на терморегуляторе и температурой воздуха в обогреваемом помещении. Если в ходе разрядки не понадобился весь объём запасённой энергии, то на следующей стадии зарядки из сети будет потреблена энергия только для дозарядки.

Прибор способен обогреть помещение площадью 20-22 м. Аналогом является прибор-теплонакопитель ТН2530 производства ООО ПКФ «Ирбис» (г. Екатеринбург). В качестве теплоаккумулирующего ядра в этом приборе используется магнезит. Температура ядра составляет 650о С. Фазовый переход не используется. Объём запасаемой энергии определяется заблаговременно, в соответствии с командами датчика наружной температуры воздуха. Габариты прибора – 850 х 670 х 255, вес – 155 кг. В комплект поставки входят блок управления, датчик погодных условий, комнатный термостат.

Практика – критерий истины

Идея аккумуляции энергии в процессе фазового перехода не нова. Возраст этой идеи порядка 150-170 лет. До сегодняшнего дня отсутствовали условия её реализации. Доказательством этого вывода служит закрепление методологии энергосбережения в ФЗ № 261 от 23 ноября 2009 года.

Авторы данной статьи предвидели появление проблемы энергосбережения ещё пять лет назад. За это время создан тепловой аккумулятор, в основу работы которого положен принцип внутреннего фазового перехода и налажено мелкосерийное производство. Следует заметить, что всё это сделано безо всякой поддержки государства. Потребителями таких аккумуляторов могут быть в первую очередь те, кто умеет и хочет экономно расходовать деньги.

Тепловой аккумулятор может отапливать помещение и накапливать тепловую энергию ночью с 23 часов до 7 часов утра. В это время тариф на электроэнергию для населения (берётся Мурманская область) составляет 0,5 рубля за 1 кВт/ч, для промышленных предприятий (электрокотельные) тариф составляет 1,458 рубля за 1 кВт/ч. В семь часов утра тепловой аккумулятор перестаёт потреблять электроэнергию и продолжает отапливать помещение за счёт накопленной за ночь энергии. В дневное время тариф на электроэнергию намного выше. Для населения он составляет 1,52 рубля за 1 кВт/ч, а для электрокотельной тариф полупиковой зоны составляет 1, 823 рубля, а в пиковой зоне - 2,278 рубля за 1 кВт/ч.

Простой арифметический расчёт показывает, во сколько раз мы можем уменьшить платежи за отопление наших помещений. Полученная экономия от использования ночного тарифа, это далеко не вся экономия, получаемая от тепловых аккумуляторов. При централизованном отоплении качество тепловой энергии, которая подаётся в помещения, зависит от температуры наружного воздуха. Инерционность системы центрального отопления настолько большая, что оперативно изменить режим работы этой системы невозможно. Поэтому, когда мы изнываем от жары в помещении, то открываем окна и охлаждаем воздух, создаём для себя комфортные условия. Но за комфорт надо платить, и мы платим, при этом отапливаем улицу.

Использование теплового аккумулятора позволяет не оплачивать потери тепловой энергии на теплотрассах, а эти потери по нормативам составляют 20% (реально они составляют гораздо большую величину). Так, в населённом пункте Междуречье Кольского района потери составили 53,77%.

Подсчёт всех составляющих экономии с использованием тепловых аккумуляторов показывает, что отопление помещений может обходиться в 4-6 раз меньше.

Это уже оценили владельцы 821-го коттеджа в Московской, Ленинградской, Саратовской областях, а также хлебозавод Саратовской области и детский сад в Ленинградской.

Предварительные расчёты показали, что перевод детских садов города Мурманска на систему отопления с использованием тепловых аккумуляторов, снизит нагрузку городского бюджета по данной статье расходов в 2,71 раза. Ещё один пример. Эксплуатационные расходы на теплоснабжение населённого пункта Пушной Кольского района в 2009 году составили более 27 млн. рублей, а при использовании тепловых аккумуляторов, они составили бы менее 2 млн. рублей.

Всё сказанное выше наглядно показывает, что пора от рассуждений об энергосбережении переходить в практическую плоскость.

СОДЕРЖАНИЕ ЖУРНАЛА "СЕВЕР ПРОМЫШЛЕННЫЙ" № 3 2010 Г.