Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

§ 14.3. Электрическое аккумуляционное отопление

Электротеплоаккумулирующие приборы потребляют электроэнергию только в периоды снижения других электрических нагрузок. Такие приборы, выравнивающие суточное потребление электроэнергии, повышают эффективность работы энергосистем. В настоящее время региональные энергетические комиссии пытаются решить проблему выравнивания нагрузок на энергосистему введением дифференцированных по времени суток тарифов. Низкий тариф действует с 23.00 до 7.00 часов, а в остальное время - обычный. Разница в тарифах составляет от 2,5 до 8 раз в зависимости от группы потребителей и региона, в котором они находятся.

Общий суточный цикл работы электротеплоаккумулирующего прибора включает в себя период "зарядки" (обычно ночной), в течение которого нагревательные элементы подключены к электрической сети, и период "разрядки", когда нагревательные элементы от сети отключены.

Наибольшее распространение получили теплоаккумулирующие печи. Для аккумуляции теплоты в печах имеется сердечник из теплоемкого, теплопроводного, взрывобезопасного дешевого материала без запаха. Эффективным материалом считается магнезит.

В бытовых электротеплоаккумулирующих печах температура сердечника не превышает 600 °С. Для увеличения продолжительности разряда и ограничения температуры кожуха 100 °С применяют тепловую изоляцию сердечника.

Электротеплоаккумулирующие печи с твердым теплоаккумулирующим материалом подразделяют на три типа (рис. 14.8):

нерегулируемые (рис. 14.8, а) - наиболее простые и дешевые. При их применении возникают наибольшие колебания температуры помещения. Теплоту они отдают за счет излучения и конвекции примерно в равных долях;

аккумулирующие конвекторы (рис. 14.8, б). Внутренний конвективный канал и регулирующий клапан позволяют поддерживать более ровную температуру помещения в течение суток;

динамические теплоаккумуляторы (рис. 14.8, в) - наиболее совершенные, со встроенным двухскоростным вентилятором и регулирующим клапаном. Основной способ теплоотдачи - вынужденная конвекция. Высокотемпературный воздух, прошедший через П-образный канал, смешивается с воздухом помещения, что обеспечивает допустимую (обычно 40...50 °С) температуру на выходе из решетки. Сигнал на включение и выключение вентилятора поступает от датчика температуры, устанавливаемого в помещении.

421

Так как при зарядке создается запас тепловой энергии, то установленная мощность аккумулирующего прибора Qн.э должна быть больше мощности Qпом постоянно работающего прибора. Мощность Qн э увеличивают во столько раз, во сколько продолжительность периода зарядки m меньше продолжительности полного цикла Т:

При повышении мощности электроаккумулирующих приборов соответственно увеличивают площадь поперечного сечения проводов ввода и внутридомовой электрической сети.

Теплоотдача от встроенных нагревательных элементов в толще прибора имеет прерывистый характер (рис. 14.10, а).

Рис. 14.10. Динамика теплового режима электроаккумулирующего отопительного прибора при 8-часовой зарядке: а - тепловой поток от нагревательных элементов; б - теплопоступление от наружной поверхности отопительного прибора; в - температура воздуха в отапливаемом помещении

Теплоотдача нагревательных элементов Qн.э постоянна в течение периода зарядки т. Тепловой поток от нагревательных элементов к наружной поверхности печи проходит через аккумулирующий и изоляционный слои, которые являются своеобразным гармоническим

423

тепловым фильтром. При этом тепловой поток из прерывистого трансформируется в неправильный периодический (рис. 14.10, 6).

В качестве сравнительного показателя теплоинерционных свойств электротеплоаккумулирующих приборов принято затухание vэ тепловой волны в приборе при суточном периоде эксплуатации. Чем больше значение vэ, тем равномернее передается теплота в помещение.

При известной мощности электроаккумулирующей печи Qн.э и продолжительности периода зарядки m тепловой поток Qэ на поверхности прибора в каждый момент времени определяют по формуле

где Ωэ - коэффициент прерывистости теплового потока на поверхности прибора для каждого часа суток в зависимости от (m / Т) и коэффициента затухания температурной волны при прохождении от сердечника до внутренней поверхности прибора.

На рис. 14.11 показано изменение коэффициента прерывистости Пэ для теплоаккумулирующих приборов с различным показателем затухания температурной волны при продолжительности периода зарядки m=8 ч, а также для случая дополнительной дневной 2- часовой подзарядки после 6-часового перерыва (линии 3 и 4). Видно, что дневная подзарядка выравнивает теплоотдачу прибора.

Рис. 14.11. Расчетные значения коэффициента прерывистости теплового потока электроаккумулирующего отопительного прибора: кривые 1,3- прибор с показателем затухания тепловой волны 7,9; 2, 4 - то же с показателем 10; 1,2 - при периоде зарядки прибора 8 ч; 3, 4 - то же при дополнительной 2-часовой подзарядке

424

На рис. 14.12 приведен график для подбора электротеплоаккумулирующего прибора при ограничении tп = ±2 °С. При подборе исходят из теплоустойчивости помещения и заданного графика электропитания.

Рис. 14.12. График для подбора теплоаккумулирующих отопительных приборов: кривые 1,4- прибор с показателем затухания тепловой волны 7,9; 2, 5 - то же с показателем 10; 3, 6 - то же с показателем 12,8; 2, 5 - то же с показателем 10; 1, 2, 3 -при периоде зарядки прибора 8 ч; 4, 5, 6 - то же при дополнительной 2-часовой подзарядке

Зная показатели теплоусвоения помещения Yпом, интенсивности конвективного теплообмена на поверхностях помещения Λпом, а также мощность прибора Qн.э, по рисунку подбирают прибор, который в помещении обеспечит необходимую температуру, причем колебания ее не превысят допустимых. Каждый электротеплоаккумулирующий прибор характеризуется показателем затухания тепловой волны vэ.

По рис. 14.12 можно выбрать один из двух режимов эксплуатации прибора: при зарядке 8 ч и при дополнительной дневной подзарядке продолжительностью 2 ч. Каждая кривая на рисунке соответствует условию tп.макс =2 °С. В левом секторе от кривой находятся сочета-

ния пом/пом и Qн.э /Λпом, для которых обеспечивается условие Δtn.макс <2 °C при применении заданной кривой типа прибора. Например, в помещении с Qн.э /Λпом=15,0 °C и

Yпом/Λпом=1,8 электротеплоаккумулирующая печь с показателем затухания тепловой волны vэ=7,9, работающая в режиме только 8-часовой зарядки, неприменима. Эта печь может быть использована при дополнительной дневной подзарядке. Печи с показателем vэ≥10 можно применять как при дневной подзарядке, так и без нее. Следует отметить, что современные теплоаккумулирующие печи, сердечник которых покрыт теплоизолирующим материалом с малым коэффициентом теплопроводности, имеют vэ≥10.

§ 14.4. Электрическое отопление с помощью теплового насоса

Тепловым насосом называют установку, предназначенную для передачи теплоты от низкотемпературного источника к среде с более высокой температурой. Применительно к электрическому отоплению тепловой насос "перекачивает" энергию от среды с более низким тепловым потенциалом к среде с более высоким потенциалом, направляя ее для отопления зданий. Теоретически тепловым насосом является всякая холодильная машина, потому что наряду с холодом она неизменно вырабатывает и теплоту. Но тепловым насосом холодильную машину называют лишь в том случае, когда она специально предназначена

425

для получения теплоты. При этом тепловой насос, как правило, действует при более высоких нижнем и верхнем уровнях температуры, чем холодильная машина.

К настоящему времени создано и эксплуатируется большое число установок с тепловыми насосами, отличающимися по тепловым схемам, рабочим телам и используемому оборудованию. По циклам работы можно выделить несколько основных типов тепловых насосов:

- воздушно-компрессионные;

- парокомпрессионные (с механической компрессией пара);

- абсорбционные;

- использующие эффект Ранка;

- использующие двойной цикл Ренкина;

- работающие по циклу Стирлинга;

- работающие по циклу Брайтона;

- термоэлектрические;

- обращенный топливный элемент;

- использующие теплоту плавления;

- использующие механо-химический эффект;

- использующие магнето-калорический эффект.

Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: открытого цикла, в котором рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду и замкнутого цикла, в котором рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Различают теплонасосные установки (ТНУ) одно- и двухступенчатые, а также каскадные. Кроме того, ТНУ могут быть с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением. ТНУ делят:

- по производительности: на крупные, средние и мелкие;

- по температурному режиму: на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные;

- по режиму работы с непрерывным действием и с циклическим действием;

- по виду холодильного агента на воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов;

- по виду потребляемой энергии с приводом от электродвигателя или газовой турбины, работающих на вторичных или природных энергоресурсах и др.

Всистемах отопления в основном применяются тепловые насосы парокомпрессионного типа. Принцип работы компрессионного теплового насоса установлен Кельвином в 1852 г.

На рис. 14.13 изображена принципиальная схема парокомпрессионной теплонасосной установки.

426

Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочтительным источником теплоты. Тем не менее, тепловые насосы, применяющие воздух, имеют характеристики хуже по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:

- быстрым снижением мощности и производительности с падением температуры наружного воздуха;

- относительно большой разностью температуры конденсации и испарения в период минимальной зимней температуры, что снижает эффективность процесса;

- энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование вентиляторов при испарителе и конденсаторе.

Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным источником теплоты, но имеет чрезвычайно низкую температуру в зимний период, опускаясь до О °С. По этой причине требуется особое внимание при проектировании, направленное на предотвращение замораживания испарителя. Морская вода на глубине от 25 до 50 м имеет постоянную температуру в диапазоне 4...8 °С, которая, как правило, не вызывает проблем с образованием льда. Важно только использовать теплообменники, насосные агрегаты и трубы, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборных трубах, теплообменниках, испарителях и пр.

Грунт как источник теплоты для тепловых насосов имеет преимущество - относительно стабильную температуру в течение года. Теплота отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (часто спиралеобразно). Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности. Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация гравия в земле вызывает ухудшение характеристик. В силу длительного отбора теплоты его температура понижается.

Поскольку тепловые насосы имеют тем больший отопительный коэффициент, чем меньше разность температуры источника теплоты и теплоносителя в системе отопления, температура последнего должна быть возможно ниже. Можно опираться на следующие значения отопительных коэффициентов зп для тепловых насосов класса "вода-вода", в случае, когда на испаритель приходит вода с температурой 5 °С:

- радиаторная или конвекторная система отопления с расчетным перепадом темпе-

ратуры 60...50 °С -2,5;

- такая же система отопления с расчетным перепадом температуры 45...35°С-3,5;

- напольное отопление с расчетной разностью температуры 35...30°С-4.

Отопительный коэффициент термоэлектрического теплового насоса при применяемых полупроводниковых материалах (висмут-теллур и висмут-селен) доходит до 2,5...3.

Эффективность тепловых насосов в последние годы значительно возросла за счет изменений, внесенных в конструкцию компрессоров, теплообменников и систем управления на базе микропроцессоров. Помимо этого тепловые насосы достигли такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает достаточно высокую долговечность и надежность. По результатам исследований, проведенных ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечена долговечность тепловых насосов от 15 (класса "воздух-воздух") до 19 (класса "воздухвода") лет. Следует отметить, что данный вывод сделан для установок, имеющих в своем

429

составе поршневой герметичный компрессор. Современные установки, оснащенные спиральными компрессорами, еще более надежны и долговечны.

Тепловые насосы для отопления зданий нашли широкое применение за рубежом. В 1993 году общее количество работающих ТНУ в развитых странах превысило 12 млн, а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 %.

Несмотря на сравнительную дешевизну отечественных тепловых насосов по сравнению с зарубежными при современном слабом финансовом положении предприятий, внедрение тепловых насосов встречает определенные трудности. Не последнюю роль играет новизна и непривычность этой техники для наших потребителей. За рубежом эти проблемы преодолевались путем предоставления в течение нескольких лет льгот предприятиям и хозяевам жилых и общественных зданий, внедряющим теплонасосные установки для отопления зданий.

Приняв среднесезонное значение отопительного коэффициента ηп=2,5, получим, что расход электроэнергии на отопление с помощью теплового насоса составит 40...45 % расхода

всистеме отопления с прямым преобразованием электричества в теплоту. Тем не менее, широкое применение тепловых насосов для отопления зданий в средней полосе страны потребует значительного (пятикратного) повышения пропускной способности электросетей и существенного увеличения мощности генераторов электроэнергии для отопления зданий, построенных до 2000 года. С введением новых теплозащитных норм потребности

втеплоте на отопление вновь строящихся и реконструируемых зданий сократились, что делает применение тепловых насосов для отопления более реальной задачей. Затраты на электрогенераторы могут быть сокращены при аккумуляции теплоты для отопления в часы провала суточного графика электронагрузки (см. § 14.3). Однако в этом случае должны возрасти мощности тепловых насосов, которые будут вырабатывать суточное количество теплоты на отопление за 6...8 ч.

Экономичность теплонасосного отопления может быть повышена при использовании теплового насоса в системах комбинированного отопления.

§ 14.5. Комбинированное отопление с использованием электрической энергии

Известны разнообразные комбинированные системы отопления с использованием электрической энергии:

- центральное водяное отопление с электрокотлами;

- электровоздушное отопление с электрокалориферами;

- базовое электроотопление панелями, теплоаккумулирующими печами при догревающем водяном или воздушном отоплении;

- догревающее отопление электрическими приборами при базовой системе воздушного или водяного отопления.

Электрокотлы применяют в системах отопления зданий различного назначения в ряде районов Сибири и северной зоны. В ряде случаев при отсутствии газовых сетей электрокотлы применяются для отопления индивидуальных домов, дач, некоторых общественных зданий, расположенных как в городах, так и в сельской местности. В электрокотельных, сооружаемых при наличии электроэнергии, уменьшается масса оборудования, снижается трудоемкость эксплуатации (электрокотельные работают без дежурного персонала). Од-

430