Завод «Теплотехника»
производитель электроотопительного оборудования

Економне опалення

Враховуючи складну ситуацію з енер­горесурсами та цінами на нафту і при­родний газ, енергозбереження й енергоефективне використання енергії є метою державної політики України, що визначає життєвий добробут населення.

У зв'язку з цим все більше споживачів поступово відмовляється від газу і пере­ходить на електроопалення.

 

Згідно з інформаційними даними НКРЕ, електроенергію в Україні виробляють:

  • теплоелектростанції (ТЕС) - близь­ко 40%;
  • гідроелектростанції (ГЕС) - до 7%;
  • атомні електростанції (АЕС) - 49,5%;
  • інші - 3,5% (блок-станцій та комуналь­на теплоелектроцентраль).

 

Споживання електроенергії в Україні на період до 2030 року досягне 400 млн кВт-год. 

Донедавна споживання електричної енергії для опалення часто зустрічало різкі заперечення енергетиків: більшість електростанцій, включно з атомними, - це теплові станції; коефіцієнт корисної дії (ККД) перетворення теплової енер­гії в електричну становить близько 40%. Отже, головний аргумент проти електро­опалення - низький ККД перетворення різних видів енергії (переважно енергії органічного палива) в електричну. Але на користь електричного опалення свід­чать такі факти:

  • наявність незавантаженої потужнос­ті на АЕС, що пов'язано зі специфікою регулювання потужності і схемою спо­живання електроенергії;
  • надлишок незатребуваною «нічної» електроенергії;
  • відносно низькі витрати при прокла­данні електромереж та монтажу електроопалювального обладнання, а також низькі експлуатаційні витрати порівня­но з іншими системами опалення;
  • відсутність або зношеність теплової мережі (значні тепловтрати), високі витрати на їх ремонт і модернізацію;
  • складність прокладання нових тепло­трас в міських умовах при наявнос­ті великої кількості підземних кому­нікацій;

за тризонними тарифами, диференці­йованими за періодами часу:

  • легка керованість тепловими режима­ми, що має вирішальне значення у пи­танні енергозбереження, оскільки, як відомо, приблизно 90% економії енер­гії досягається за рахунок управлін­ня (мається на увазі не тільки функ­ція терморегулювання, але й функція подачі тепла за тимчасовою і темпе­ратурною програмами, врахування іс­тотно нестаціонарних умов, загалом - управління в широкому сенсі);
  • багатоваріантність виконавських рі­шень;
  • незалежність споживача від централі­зованого постачальника тепла та від та­кого поняття, як опалювальний сезон. Розвантаження генерувальної елек­тричної потужності несприятливо відби­вається і на роботі електростанцій; зни­жується ККД генераторів, а отже, суттєво збільшуються втрати.

Все це добре відомо енергетикам, і тому організаціям, які генерують і тран­спортують електроенергію, вигідне рів­номірне навантаження енергосистеми. Оскільки вночі має місце спад енерго­споживання, енергетики застосовують тарифні пільги, які стимулюють спожи­вання в ці години.

Від 1996 року в Україні діє зонний тариф на електроенергію за періода­ми часу, який покликаний зацікавити і споживача (у використанні дешевої позапікової електроенергії), і виробника електроенергії, оскільки це сприяє ви­рівнюванню добових графіків споживан­ня електроенергії. Тому теплопостачання за низьким (нічним) тарифом на елек­троенергію є одним з найбільш вигідних факторів. Це стало можливим з викорис­танням електричних апаратів, що накопи­чують теплову енергію.

Такими апаратами є електричні теплоакумуляційні обігрівачі, які дають змогу поєднувати інтереси виробників, постачальників та споживачів електро­енергії.

 

Розмір тарифів на електроенергію для населення, що діють з 1 лютого 2011 року, становить 32 коп./кВт-год. Розра­хунки зі споживачами за наявності окре­мого обліку споживаної електроенергії виконуються:

  • за двозонними тарифами, диференці­йованими за періодами часу:
  • 0,7 тарифу - від 23:00 до 07:00,
  • 1,0 тарифу - в інший час доби;
  • за тризонними тарифами, диференці­йованими за періодами часу:
  • 1,5 тарифу - від 08:00 до 11:00, від 20:00 до 22:00;
  • 1,0 тарифу - від 07:00 до 08:00 год, від 11:00 до 20:00, від 22:00 до 23:00;
  • 0,4 тарифу - від 23:00 до 07:00.

 

Зазначимо, що основна частина енер­гії, яка споживається населенням, ви­трачається на обігрів приміщень. Отже, вночі вигідно застосовувати електричну енергію для обігріву. При цьому джере­ло тепла повинен мати здатність за час дії пільгового тарифу віддавати тепло і одночасно запасати певну кількість те­плової енергії з тим, щоб в наступний час обігрівати приміщення, не споживаючи електроенергії з мережі, тобто опалю­вальний прилад повинен бути теплоакумулювальним. Такі опалювальні прилади, вирівнюючи добове споживання елек­троенергії, підвищують ефективність ро­боти енергосистеми.

Під тепловою акумуляцією розуміють фізичні й хімічні процеси, за допомогою яких відбувається накопичення теплової енергії в акумуляторі. Відомі такі спосо­би акумуляції [1]:

  • акумуляція явної теплової енергії;
  • акумуляція прихованої теплової енер­гії фазових переходів;
  • хімічна акумуляція теплової енергії.

Акумуляція явної теплової енергії най­більш поширена і здійснюється за раху­нок використання теплоємності твердого або рідкого теплоакумулювального мате­ріалу при його нагріванні. Це пов'язано головним чином з використанням недо­рогих матеріалів і простих, перевірених технічних рішень. Обсяг акумульованої енергії пропорційний еквівалентній пи­томій теплоємності середовища, в якому запасається енергія, масі цього середо­вища та граничній температурі, до якої вона нагрівається. Питома теплоємність визначається хімічними параметрами ре­човини. Обмеження на рівень максималь­ної температури накладають вимоги до термостійкості використовуваних матері­алів, надійності роботи комплектуючих та дотримання санітарно-гігієнічних норм. Збільшення маси акумулювального апа­рату створює ряд незручностей при тран­спортуванні й монтажі та неминуче веде до збільшення габаритів. Іншими слова­ми, необхідно домогтися високих питомих тепломасогабаритних характеристик апарату.

Кількість теплової енергії, яка акуму­люється, визначається за формулою [2]:

0 = т<-(їг - і)                                              (1)

де:0 - акумульована теплова енергія, Дж; т - маса акумулювального ядра, кг; с - питома теплоємність акумулювально­го ядра, Дж/(кг К); і, - кінцева температура нагріву, °С; і1 - залишкова температура нагріву, °С.

Отже, питома акумулювальна здатність дорівнює:

q = 0/т = с-(їг - д,                                         (2)

де: q - питома акумулювальна здатність, Дж/кг.

Однією з кращих теплоакумулювальних речовин, завдяки своїй доступнос­ті, дешевизні, нешкідливості для навко­лишнього середовища і великий питомої теплоємності (4,2 кДж/кг-К), є вода. Од­нак в умовах нормального атмосферно­го тиску воду можна нагріти без небез­пеки закипання тільки до температури 95°С і, якщо температура наприкінці охо­лодження становить, наприклад, 45°С, то отримуємо:

               q = 4,2-(95 - 45) = 210 кДж/кг = 60 Вт-год/кг.

Для акумулювання тепла можуть ви­користовуватися і метали, природні та штучні кам'янисті породи, хімічні сполу­ки тощо. Їх питома теплоємність менша, ніж у води, і коливається зазвичай в ме­жах від 0,5 кДж/(кг-К) до 2 кДж/(кг-К), але їх можна нагрівати до більш висо­кої температури (в деяких випадках до 600°С). Питома акумулювальна здатність таких матеріалів, залежно від питомої те­плоємності і допустимої температури на­гріву, коливається зазвичай в межах від 50 Вт-год/кг до 600 Вт-год/кг.

На рисунку 1 наведено порівняльні за­лежності питомої акумулювальної здат­ності деяких матеріалів від температури. Опції 1, 3 побудовані з використанням та­бличних даних [1], функція 2 побудова­на за дослідними даними для нового еко­логічно чистого матеріалу, розробленого на підприємстві спеціально для тепло- акумулятора [3].

 
   

 

 

 

 

Рис. 1. Щільність енергії, накопичуваної теплоакумулювальним ядром

 

Теплоакумулятор складається з теплоакумулювального ядра 1, виготовленого із високоякісного композитного матеріа­лу з високою акумулювальною здатністю. В центральній частині ядра розташова­ні трубчасті електричні нагрівачі 2. Теплоакумулювальне ядро закріплене в ме­талевому корпусі. Простір між ядром і корпусом заповнено високоефективної теплоізоляцією 3. У просторі між вну­трішніми і зовнішніми стінками блоків акумулювального ядра виконано кана­ли для знімання акумульованої теплової енергії шляхом примусової конвекції по­вітря за допомогою електровентилятора 4. У нижній частині знаходиться змішу­вач холодного і гарячого повітря 5.  
   

           Рис. 2. Принципова схема електротеплоакумулятора


 

Коли вентилятор включається, кімнат­не повітря спрямовується в теплоакуму­лятор, нагрівається і, змішуючись з хо­лодним на виході, рівномірно надходить до приміщення теплим горизонтальним потоком. Вентилятор автоматично керу­ється кімнатним термостатом, встановле­ним в одному приміщенні з акумулятором. Дуже низький рівень випромінювання те­пла здійснюється через корпус. Корпус теплоакумулятора виконаний зі сталі і покритий порошковою фарбою RAL 9609. Приємний колір і висока якість покрит­тя уможливлюють застосування теплоакумуляторов як у службових, так і в жит­лових приміщеннях. Обсяг заряджання задають вручну залежно від зовнішньої температури.

На рисунку 3 наведена принципова схема електротеплоакумулятора, що використовується в помешканях з водяною системою опалення. В ньому за рахунок гарячого повітря нагрівається теплоносій.
Складається з двох контурів: повітряного і водяного. Повітря нагнітається вентилятором 1, проходячи через нагріте електричними нагрівачами 2  теплоакумулююче осердя 4, передає тепло на поверхню пластинчастого теплообмінника 5 (повітря - вода), з якого прогрітий теплоносій потрапляє у вхідний трубопровід 3 опалювального контуру або гарячого водопостачання.

 
   

 

 

 

 

 Рис. 3. Принципова схема електротеплоакумулятора для водяної системи

 

Характеристики акумулювального ядра:

  • питома теплоємність - 1,5 кДж/(кг-К);
  • щільність - 3100 кг/м3;
  • жароміцність - 900°С.

 

Температура нагріву ядра, враховуючи теплостійкість і допустиму температуру нагрівання матеріалів теплоакумулятора, не перевищує 600°С, що, у разі кінцевої температури охолодження і  t1 = 100°С, дає питому акумулювальну здатність 210 Вт-год/кг. Обсяг енергії, яка запасається, визначається завчасно відповідно до очікуваної зовнішньої температури повітря і встановлюється регулятором зарядки.
За різними оцінками, потенціал впровадження технології електроопалення, що створюється різницею між вечірнім зимовим максимумом і нічним навантаженням графіка енергосистеми України, складає понад 6 млн кВт і дає змогу електрифікувати опалення приблизно 1 млн осель (при середньовстановленій поквартирній потужності традиційної електроустановки на рівні близько 6 кВт).
Використання електротеплоакумуляційних обігрівачів дає змогу істотно скоротити витрати на опалення. Для споживача виграш залежить від величини і стабільності (гарантованих державою) встановлених тарифів на електроенергію, від різниці денного і нічного тарифів, яка для населення становить від 1,5 до 2,5 разів.

 

Висновки.
Система опалення на базі розроблених електротеплоакумуляційних обігрівачів завоювала сильні позиції з енергозбереження серед інших рішень. Вона не тільки забезпечує комфорт і надійне тепло, але й вагому економію витрат на опалення.

 

 

 
   

ЛІТЕРАТУРА
1.  Бекман Г. Тепловое аккумулирование энергии. - М.: Мир, 1987. - 272 с.
2.  Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1975. - 495 с.
3.  Беліменко С.С. Електротеплоакумуляційні нагрівачі - шлях до енергонезалежності України // Праці Інституту електродинаміки НАНУ. - К., 2006. - Спеціальний випуск. - С. 80-83.