Рис. 10.11. Зависимость предельно допустимого удельного годового расхода тепловой энергии, кВт·ч/м2, от А/V-отношения

10.2. Электрические нагреватели с аккумулированием тепла

В Германии используются три основные системы электрических приборов для отопления помещений:

•нагреватели прямого действия,

•нагреватели на основе тепловых насосов,

•нагреватели с аккумулированием тепла.

Нагреватели прямого действия

С технологической точки зрения нагреватели прямого действия, требующие минимальных капитальных затрат, являются наиболее простыми системами для отопления. В Германии пик нагрузки, как решающий фактор для электростанций и энергосистем, приходится на зимнее время. Дополнительная установка систем отопления приводит к большим капитальным затратам и даже заметно повышает цены на бытовую электроэнергию.

270

При этом следует иметь в виду, что при климатических условиях, преобладающих в центральной Европе, отопительный период непродолжителен, порядка 1500 часов в год. Именно в этом причина, почему потребители энергии «боролись против» систем прямого нагрева с высокими тарифами за электроэнергию.

Нагреватели на основе тепловых насосов

Детальная информация о принципе действия и работе приведена в разд. 10.3.

Нагреватели с аккумулированием тепла

В шестидесятые годы XX в. в Германии большинство домов было оборудовано печным отоплением. Применялись угольные печи и печи, работающие на жидком топливе. Обе системы требовали обслуживания, и жители были заинтересованы в появлении автоматизированных отопительных систем. Со своей стороны, предприятия-производители электроэнергии были заинтересованы в заполнении «ночной» ниши, которое позволило бы сбалансировать нагрузку на сеть в ночное и дневное время. На рис. 10.12 показан суточный график нагрузки на электрическую сеть в Германии. В 1965 г., до того как нагреватели с аккумулированием тепла стали широко использоваться, нагрузка на сеть в ночное время снижалась до 50 %. График для 1985 г. показывает достаточно ровную нагрузку на сеть, которая обеспечивается главным образом использованием нагревателей с аккумулированием тепла. В этот период природный газ еще не был доступен на рынке как конкурентоспособный источник первичной энергии. Эти благоприятные условия привели к быстрому распространению системы нагрева с использованием нагревателей с аккумулированием тепла. Для замены угольных котлов в старых зданиях были разработаны нагреватели с аккумулированием тепла для систем центрального отопления, а для новых зданий – нагреватели такого типа для подогрева пола. Для но-

271

вых зданий система «нагревателей с аккумулированием тепла для обогрева полов» приобрела существенное значение.

Рис. 10.12. График энергопотребления в зависимости от времени суток

Было построено всего несколько так называемых «систем центрального отопления с аккумулированием тепла», которые, как и другие подобные системы, состоят из центрального нагревателя, от которого горячая вода поступает в радиаторы или в трубы водяного подогрева полов.

Теперь несколько статистических данных. В Германии приблизительно 2,4 миллиона квартир оборудовано нагревателями с аккумулированием тепла, это составляет примерно 9 % (столько же квартир с централизованным теплоснабжением). Приблизительно 95 % нагревателей с аккумулированием тепла установлено в каждой комнате. На рис. 10.13 показан принцип действия подобного нагревателя. Системы подогрева пола и системы центрального отопления с аккумулированием тепла составляют соответственно 3 и 2 %.

В настоящее время большой интерес вызывает вопрос расхода первичной энергии на отопление. Но прежде чем ответить на него, необходимо проанализировать возникающие потери энергии.

Любая система нагрева имеет потери:

• при генерировании тепла,

272

•при распределении тепла,

•при работе системы управления, когда возникает ситуация несоответствия между вырабатываемой тепловой энергией и необходимой.

Рис. 10.13. Нагреватель с аккумулированием тепла:

А – оксид магния; В – резистивный нагреватель; С – шахта для воздуха; D – вентилятор; Е – теплоизолятор; F – выход горячего воздуха; G – обходной

канал

Потери в генераторе тепла при работе электрических нагревателей отсутствуют, так как электрическая энергия непосредственно превращается в тепловую. Потери в распределительной системе также отсутствуют, поскольку тепло генерируется непосредственно в помещениях. Потери, связанные с управлением, могут иметь место, если нагреватель отдает большее количество тепла, чем фактически необходимо.

Нагреватели с аккумулированием тепла отдают энергию двумя пу-

тями:

-через поверхность,

-через воздушный поток, образуемый работающим вентилятором. Отдача тепла с поверхности регулируется корректировкой мощности

нагревателя. Согласно немецким стандартам нагреватель должен отдавать только 60 % мощности через поверхность.

273

С учетом тепловой инерции массивных конструкций здания система управления регулирует количество аккумулированной теплоты в соответствии с внешней температурой последних двух дней. Точное поддержание заданной температуры в помещении производится с помощью вентилятора, установленного в нагревателе, который по мере необходимости включается или выключается.

Нагреватель с аккумулированием тепла обладает следующими преимуществами:

•приток тепла от внутренних источников, таких как осветительные лампы, или от солнечного излучения, проходящего через окна, немедленно приводит к снижению теплоотдачи нагревателя;

•нагреватели с аккумулированием тепла имеют очень высокую производительность, поэтому требуется только несколько минут, чтобы нагреть помещение до необходимой температуры при возвращении жильцов

вхолодную квартиру;

•в начале и в конце отопительного сезона часто нет необходимости отапливать всю квартиру. Можно отапливать каждую комнату отдельно;

•система позволяет точно определить потребление энергии. Каждый пользователь может получить информацию, сколько энергии он израсходовал.

В Научно-исследовательском институте (FfЕ) была произведена оценка потребления энергии в быту. На рис. 10.14 показано распределение потребления конечной энергии в 506 квартирах в городе Эссен. Оно отвечает нормальному закону распределения Гаусса.

Конечная энергия является видом энергии, которую оплачивает потребитель. Это единственный вид энергии, который может быть точно измерен.

Рисунок 10.14 показывает, что потребление составляет 92 кВт·ч/м2 в

год.

Приблизительно 50 % пользователей потребляют меньше 90 кВт·ч/м2

274

в год. В соответствии с новыми нормами допустимое потребление электроэнергии лежит в пределах от 54 до 100 кВт·ч/м2 в год в зависимости от А/V-отношения.

Подобная оценка была проведена для сравнения потребления энергии в квартирах с электрическими нагревателями, аккумулирующими тепло, и квартирах домов с центральным отоплением, работающим на жидком топливе. Результат приведен на рис. 10.15. Квартира отапливается системой, работающей на жидком топливе, потребляет в среднем 207 кВт·ч/м2 в год.

Рис. 10.14. Распределение поквартирного потребления конечной энергии

Столь различное потребление конечной энергии убеждает в том, что нагреватели с аккумулированием тепла конкурентоспособны. Расходы на электроэнергию составляют меньше половины всех расходов на содержание жилища, поскольку потребление энергии нагревателями происходит в ночное время, оплачивается по льготному тарифу и может контролироваться.

275

Для оценки первичной энергии следует учесть потери при ее производстве и передаче. В Германии потребление первичной энергии нагревателями с аккумулированием тепла оказывается лишь на 40 % выше, чем системами центрального отопления на жидком топливе. Приемлемы ли такие потери, следует решать в зависимости от рода первичной энергии.

По эмиссии СО2 обе системы почти одинаковы.

Рис. 10.15. Распределение поквартирного потребления конечной энергии в зависимости от типа обогревателя

Электрические водонагреватели

Развитие электрических водонагревателей началось в пятидесятые годы, когда угольные и нефтяные водонагреватели были заменены электрическими. Эти настенные установки емкостью 60 или 80 литров (номинальной мощностью от 2 до 6 кВт) включались за некоторое время до приема ванны. Поскольку они не имели тепловой изоляции, прогревалась также и ванная комната. Сейчас водонагреватели подобной конструкции вышли из употребления.

Настенные нагреватели для кипячения воды позволяют получать до

276

5 литров горячей или кипящей воды. Каждый раз перед использованием прибор заполняется необходимым количеством воды. Устройство подключается к сети мощностью 2 кВт.

Электрические водонагреватели с теплоизоляцией позволяют сохранять высокую температуру воды, которая может быть получена в любой момент без задержки. Нагреватели «открытого типа» с одним выпускным краном и неопрессованным присоединением к водопроводу имеют емкость 5, 10, 15, 30, 50, 80 и 100 литров и номинальную мощность от 1 до 6 кВт. Небольшие нагреватели объемом 5 или 10 литров предназначены для установки в кухне или на раковине для мытья и подключаются к сети мощностью 2 кВт.

Имеются также спрессованные водонагреватели «закрытого» типа, питающие несколько выпускных кранов. Емкость таких нагревателей может быть 80, 100, 120, 200, 300 и 400 литров при установленной мощности от 1 до 6 кВт. При емкости 200 и более литров они включаются в ночное время и оплачиваются по низкому тарифу.

Тепловые насосы объединяются с резервуарами для хранения горячей воды емкостью до 300 литров. Они устанавливаются в нежилых помещениях. Их мощность приблизительно 500 Вт, максимальная температура нагрева воды 60°С.

Широко применяются в Германии водонагреватели проточного типа. Они компактны, поскольку не имеют резервуара, и нагревают воду, текущую через нагреватель. Такие нагреватели требуют довольно значительном мощности: 18, 21, 24 и 27 кВт. Приборы подключаются к трехфазной сети.

Короткое время работы нагревателей проточного типа (приблизительно 10 минут на человека в день) определяет малую вероятность одновременного включения таких установок (ниже 5 % для 100 нагревателей); в отношении нагрузки на сеть нет различия между работой нагревателей проточного типа и нагревателей с емкостью для воды.

277