Электрическое отопление. Достоинства и недостатки, область применения. Электрические приборы и оборудование. Перспективы развития электрического отопления. - 1час.

Общие сведения

При электрическом отоплении получение теплоты связано с преобразованием электрической энергии. По способу получения теплоты электрическое отопление может быть с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую и с трансформацией электричества в теплоту в тепловых насосах.

Системы электрического отопления подразделяются на местные, когда электроэнергия преобразуется в тепловую в обогреваемых помещениях или в непосредственной близости от них, и центральные, например, с электрокотлами.

По степени использования электроэнергии для отопления различают системы с полным покрытием отопительной нагрузки и с частичным ее покрытием (комбинированное отопление) в качестве как фоновой (базисной), так и догревающей частей системы.

Системы электрического отопления могут работать по свободному и вынужденному (например, только ночью) графикам.

Достоинствами систем электрического отопления являются высокие гигиенические показатели, малый расход металла, простота монтажа при сравнительно небольших капитальных вложениях, транспортабельность, управляемость в широких пределах с автоматизацией регулирования. Возможность гибкого управления процессом получения теплоты позволяет создавать системы отопления, быстро реагирующие на изменение теплопотребности помещений.

К недостаткам электрического отопления относят, в первую очередь, неэкономичное использование топлива, высокую температуру греющих элементов, повышенную пожарную опасность, хотя в последние годы у применяемых отопительных приборов и греющих кабелей значительно снижена опасность возгорания. Распространение электрического отопления в стране сдерживается также ограниченным уровнем выработки электроэнергии. Отпускная стоимость энергии высокая из-за значительных капитальных вложений в электростанции и линии передач, потерь при транспортировании.

Полное электроотопление зданий требует значительного расхода электроэнергии. Годовой расход электроэнергии для отопления 100 м² площади гражданского здания постройки до 90-х годов колеблется от 35 на юге страны до 125 гДж на севере.

Для уменьшения расхода топлива целесообразно применять отопительные установки с использованием тепловых насосов. Так, коэффициент использования топлива при отпуске теплоты потребителю у различных источников теплоснабжения меняется в следующих пределах: от ТЭЦ 68…75 %, от котельных мощностью более 60 мвт 66…73 %, от котельных мощностью менее 60 мвт 58…70 %, от автономных котлов отечественных 65…75 %, от автономных котлов импортных 85…99 %, при электрическом отоплении с приборами прямого преобразования в теплоту 25…45 %, при электрическом отоплении с тепловыми насосами 65…75 %. То есть тепловые насосы имеют приблизительно такой же коэффициент использования топлива как отопление от ТЭЦ или отечественных автономных котельных.

Целесообразность применения электрического отопления в конкретном случае определяют путем сравнения технико-экономических показателей различных вариантов отопления здания. При сравнении исходят из стоимости топлива или электроэнергии с учетом их транспортирования и потерь при этом, коэффициента использования топлива, стоимости сооружения и эксплуатации систем отопления и теплоснабжения. Принимают также во внимание возможность регулирования теплоотдачи приборов и понижения температуры помещения в нерабочее время. Оценивают улучшение социально-гигиенических условий при применении электроотопления. Высокая транспортабельность создает условия для использования электрической энергии в системах отопления зданий и сооружений в труд­нодоступных районах, не имеющих других источников теплоты, а отсутствие продуктов сгорания — в экологически чистых зонах. В современных условиях применение электрического отопления экономически целесообразно в районах расположения крупных гидростанций, а также при отсутствии местного топлива. Используется электроэнергия для отопления рассредоточенных потребителей сельских районов страны.

В современных условиях сниженного потребления электроэнергии промышленностью электроотопление довольно часто применяется в городских зданиях для дополнительного отопления в межсезонье и при отсутствии газовых сетей в загородных коттеджах в качестве единственного источника теплоты.

Большое распространение получили электрические воздушно-тепловые завесы в общественных зданиях.

Электрические отопительные приборы

Электрические приборы с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую, как и обычные отопительные приборы, подразделяют по преобладающему способу теплоотдачи на радиационные, конвективные и радиационно-конвективные. При температуре греющей поверхности ниже 70 °С их относят к низкотемпературным, выше 100 °С — к высокотемпературным .

Электроотопительные приборы могут быть стационарными и переносными (напольными, настольными, настенными, потолочными); безынерционными и с аккумуляцией теплоты; нерегулируемыми и со ступенчатым, бесступенчатым и автоматическим регулированием. В зависимости от конструкции электрические отопительные приборы называют электро­конвекторами, электрокалориферами, электротепловентиляторами. Выпускают также электрические печи, электрические воздушно-тепловые завесы, подвесные панели, греющие обои, панели с греющим кабелем.

Рисунок 1. Кабели для электрического отопления пола: А — кабель ТЛЭ; Б — саморегулирующиеся кабели FSLе(1) и FSS(2); В — двужильный резисторный кабель; Г-двухпроводниковый бронированный кабель; Д — однопроводниковый бронированный кабель; Е — кабель ЕСО; I — оболочка; 2 — оплетка из медной проволоки; 3 — изоляция (термостойкий полимер); 4 — второй слой изоляции; 5 — токонесущие жилы; 6 — матрица токонесущих жил; 7- оболочка из фторполимера.

Панели электрического отопления с греющим кабелем делают совмещенными со строительными конструкциями и приставными к ним.

По принципу тепловыделения нагревательные кабели, используемые в панельном отоплении, относятся к резистивным. У резистивных кабелей теплота выделяется нагревательной жилой, окруженной изоляцией, экранами и защитными оболочками. Они могут запитываться с двух или одного конца (двухжильные кабели). Преимуществами таких кабелей является простота конструкции, высокая технологичность (монтаж нагревательных секций на объекте занимает мало времени и несложен) и относительно низкая стоимость. Недостатком является необходимость использования секций строго заданной длины.

Исполнение нагревательных кабелей (рисунок 1) отличается наличием или отсутствием, а также материалом изоляции, защитного экрана и наружной оболочки. Исполнение кабеля определяет уровень защищенности кабеля от влияния окружающей среды и его рабочую температуру. Кабели, применяемые для панельного отопления, считаются низкотемпературными, так как температура греющей жилы в них не превышает 100 °С.

Нагревательная жила в зависимости от требуемого электрического сопротивления, состоящая из одной или нескольких проволок, изготавливается из специальных сплавов, оцинкованной стали, латуни, меди, алюминия. Электрическое сопротивление современных кабелей, использующихся в панельном отоплении, лежит в пределах 0,041…20 Ом/м. Обычно кабель имеет поверх нагревательной жилы один или два слоя изоляции из пластика, защитный экран в виде оплетки из медной проволоки сечением 1 мм² и наружную оболочку из поливинилхлоридного пластика или полиэтилена. Сопротивление изоляции приблизительно равно 1х10⁵ Ом/м. Для усиления механической защиты и снижения генерируемых электромагнитных полей применяется так называемый бронированный кабель, у которого оплетка выполнена из отожженной медной проволоки. Защитный экран кабелей должен быть подключен к заземляющему контуру здания (или к нулевому проводу). Одножильные кабели бывают круглыми диаметром от 5 до 7 мм, а двухжильные, как правило, овальными размерами около 5,3х7,6 мм.

Современные греющие кабели имеют токопроводящую жилу, выполненную из материалов, обладающих низким температурным коэффициентом сопротивления, что значительно упрощает тепловые расчеты. В настоящее время разработана принципиально новая конструкция кабеля, теплоотдача которого определяется только напряжением питания. В этих саморегулирующихся кабелях теплота выделяется в полупроводящей пластмассе, заполняющей пространство между двумя токопроводящими жилами (рисунок 1).

При повышении температуры сопротивление пластмассы возрастает и тепловыделение падает, благодаря чему создается эффект саморегулирования. Конструкция окружена электроизолирующими и защитными оболочками и экранами и запитывается с одного конца. Большим преимуществом такого кабеля является возможность использования произвольными длинами, отрезаемыми по месту. При таких кабелях необходимая плотность теплового потока будет достигаться варьированием шага их раскладки. Саморегулирующиеся кабели не перегреваются и не перегорают. Недостатком кабеля следует считать большой стартовый ток, превышающий номинальный в 1,5…2 раза. Кроме того, к недостаткам относят невозможность обеспечить форсированный обогрев. Саморегулирующийся кабель довольно дорог.

Резистивные кабели имеют линейную мощность от 15 до 25 Вт/м. Рекомендуется устройство шага раскладки кабеля с таким расчетом, чтобы поверхностная мощность системы не превышала 150 Вт/м² у малоинерционных панелей и 200 Вт/м² у аккумулирующих теплоту. Шаг раскладки кабеля должен лежать в пределах 10…20 см. При этом, как правило, допускается минимальный радиус изгиба кабеля 150 мм. Нагревательные секции при изменении длины от 5 до 125 м увеличивают свою мощность приблизительно от 100 до 2500 Вт. Появились секции греющего кабеля, закрепленные на пластиковой сетке. Плоскостные секции на сетке выполняются различной длины шириной 0,5 м.

Сейчас наибольшее распространение получили напольные системы электроотопления, при которых кабель или провод закладывается в междуэтажное перекрытие. На рисунке 2 показаны варианты такой конструкции.

Принцип электрического обогрева полов

Принцип электрического обогрева половпредставляет собой систему, в которой нагревательный кабель, залитый в толщу цементной стяжки, нагревает пол до требуемой (22 — 30°С) температуры, датчик температуры пола контролирует ее величину, а регулятор по сигналу датчика включает или отключает нагрев (рисунок 3).При расчете электрического отопления вы­бираемая мощность отопительного оборудованы должна соответствовать тепловым потерям помещения и, в конечном счете, зависит от качества строительства и выбора теплоизоляционных материалов.

Рисунок 2. Греющий кабель в перекрытиях зданий: а — замоноличенный; б — в воздушной прослойке; в — замоноличенный под воздушной прослойкой; 1 — покрытие пола; 2 — стяжка толщиной 20…30 мм; 3 — монолитный слой толщиной 40…50 мм; 4 — греющий кабель; 5 -звукотеплоизоляция; 6 — несущая железобетонная плита; 7 — воздушная прослойка толщиной 40…50 мм; 8 — лага 50×50 мм; 9 — настил пола толщиной 20 мм; 10 — монолитный слой толщиной 20 мм; 11 — воздушная прослойка толщиной 30 мм.

В зданиях с бетонными перекрытиями применяют замоноличивание греющего кабеля в конструкцию пола (рисунке 1, а). Термическое сопротивление слоев, расположенных между кабелем и покрытием пола, принимают в пределах 0,045…0,2 м -°С/Вт.

В зданиях с полами на лагах греющий кабель располагают в воздушной прослойке (рисунок 1, б) для выравнивания температуры поверхности пола. При этом менее вероятно местное перегревание кабеля. Его укладывают на металлическую сетку таким образом, чтобы он не касался утеплителя, так как в противном случае может произойти перегрев кабеля или изоляции.

Для интенсификации конвективного теплообмена в воздушной прослойке в углах помещения оставляют вентиляционные отверстия, перекрытые решетками. Недостатком конструкции является перерасход кабеля из-за уменьшения его теплоотдачи.

Рисунок 3. Схема электрического обогрева: 1 — перекрытие; 2 — теплоизоляция; 3 — датчик температуры; 4 — нагревательный кабель; 5 — бетонная стяжка; 6 — напольное покрытие; 7 — несущая стена.

В зданиях с полами на лагах применяют также замоноличивание кабеля и устройство воздушной прослойки над замоноличивающим слоем (рисунок 1, в). Такая конструкция совмещает в себе преимущества первых двух: увеличенную теплоотдачу и предотвращение местного перегревания кабеля.

Регулирование теплоотдачи панели электрического отопления выполняют двухпозиционно.

Подвесные электропанели

Для отопления производственных помещений большого объема применяют подвесные электропанели. Тепловую мощность подвесных панелей рассчитывают по балансам теплоты в верхней (над панелью) и нижней (под панелью) частях помещения. При этом считают, что теплопотери верхней зоны компенсируются теплоотдачей панели вверх, а теплопотери нижней зоны — теплоотдачей вниз. На рисунке 4 дана схема конструкции подвесной панели. При изолированном кабеле плотность теплового потока в них составляет около 460 Вт/м (теплоотдача вниз 85 %), при неизолированном кабеле — около 840 Вт/м (теплоотдача вниз около 88 %).

Рисунок 4. Подвесная панель с греющим электрокабелем: 1 — стальной кожух; 2 — теплоизоляция; 3 — нагреватель в виде изолированного кабеля.

Рисунок 5. Электронагревательная печь (боковой вид): 1 — трубчатые электронагреватели; 2- стальной кожух; 3 — крышки; 4 — контакт заземления; 5 — перемычки; 6 — токоведущие шпильки; 7 — дно; 8 — отверстие для ввода электропитания.

Электронагревательные печи

Для отопления отдельных помещений используют электронагревательные печи ПЭТ (рисунок 5). В печи под перфорированным кожухом помещены на фарфоровых колодках трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН) мощностью 0,5…1 кВт. Температура поверхности тэн на 130..150 °С выше температуры окружающего воздуха. При монтаже печи, как в горизонтальном, так и вертикальном положении (с электропитанием снизу) к болту заземления присоединяют заземляющий провод.

Переносные электроотопительные приборы применяют для дополнительного отопления жилых и общественных зданий, садовых домиков.

Распространенным электроотопительным прибором является электрокамин, который по исполнению может быть настенным, напольным, универсальным. Нагревательные элементы бывают сосредоточенными или линейными с температурой 750…800 °С.

Рисунок 6. Электрокамин со сферическим отражателем: 1 — декоративная защитная решетка; 2 — нагревательный элемент; 3 — отражатель; 4 — патрон; 5 — шнур электропитания; 6 -кронштейн; 7 — поворотный винт; 8 — подставка.

Рисунок 7. Декоративно-функциональный электрокамин: а — вид спереди; б — вид сбоку; 1 -декоративный внешний корпус; 2 — внутренний металлический корпус; 3 — панель имитации топлива; 4 — декоративно-защитная решетка; 5 — полупрозрачный экран; 6 — вертушка; 7 — кронштейн с иглой; 8 — красная лампа; 9 — отражатель; 10 — патрон; 11 — нагревательные элементы.

Выпускают электрокамины чисто функциональные, предназначенные только для отопления, и декоративно-функциональные, являющиеся, кроме того, частью интерьера. На рисунке 6 показана конструкция функционального электрокамина со сферическим отражателем. Для изменения направления радиационного теплового потока отражатель может поворачиваться. В декоративно-функциональном электрокамине (рисунок 7) имитируется горение дров. Теплый воздух вращает вертушку с прорезями, и на панель и экран падают блики света от красной лампы.

Электрорадиаторы

Электрорадиаторы делают напольными (с промежуточным теплоносителем — минеральным маслом) мощностью 0,5…3 кВт. Они бывают панельными (рисунок 8) и секционными, когда корпус собирается из отдельных секций, сваренных между собой.

Рисунок 8 Панельный электрорадиатор: 1 — герметичный корпус, заполненный маслом; 2 -регулятор температуры; 3 — шнур электропитания; 4 — электронагреватель.

Теплоотдача электрорадиатора излучением составляет 50 % общего теплового потока. Максимальная температура поверхности радиатора достигает 110 °С, а средняя — 85…95 °С. Электрорадиаторы, как правило, имеют термоограничитель, отключающий прибор при достижении температуры 130 °С на корпусе. Выносной терморегулятор, которым укомплектовано большинство электрорадиаторов, позволяет поддерживать необходимую температуру в обогреваемом помещении.

Рисунок 9. Электроконвектор: 1 — корпус; 2 — нагревательный элемент в виде стальных пластин; 3 — выключатели; 4 — шнур электропитания.

Электроконвекторы

В электроконвекторах теплоотдача осуществляется преимущественно (90 %) естественной конвекцией. Наиболее распространенной является напольная модель (рисунок 9).

Рисунок 10. Установка злектроконвектора с выносным термостатом: 1 — электроконвектор; 2 — электропроводка; 3 — проводка соединения с термостатом; 4 — термостат; 5 — подоконник; 6 — окно; 7 — линия пола.

Электроконвектор мощностью 0,5…3 кВт представляет собой корпус, внутри которого расположены нагревательные элементы — спираль из сплава высокого сопротивления (как правило, нихрома) или трубчатый электронагреватель. Температура открытой спирали 600…900 °С, трубчатого нагревателя — 450…500 °С. Температура выходящего из конвектора воздуха не превышает температуры окружающего воздуха более чем на 85 °С. Новые конструкции конвекторов оснащают терморегуляторами (рисунок 10).

Рисунок 11. Воздушно — отопительный агрегат типа АО2: 1- осевой вентилятор с электродвигателем; 2- воздухонагреватель (калорифер); 3- многостворчатый клапан; 4- кронштейны.

Электротепловентилятор

Электротепловентилятор — отопительный прибор с теплоотдачей при вынужденной конвекции, создаваемой встроенным вентилятором (рисунок 11). Мощность прибора доходит до 9 кВт, поэтому тепловентилятор иногда называют тепловой пушкой, выбрасывающей мощную тепловую струю.

Нагревательные элементы в электротепловентиляторах такие же, как в электроконвекторах. Приборы имеют ступени регулирования мощности и, как правило, две частоты вращения вентилятора. Для защиты от перегрева в цепь нагревательных элементов включают термоограничитель.

Выпускают также комбинированные электроприборы: электрокамины-конвекторы и электрокамины-радиаторы.

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.

Рисунок 12. Электрические теплоаккумуляционные печи: а — нерегулируемая печь; б — аккумулирующий конвектор; в — динамический теплоаккумулятор; 1 — нагревательные элементы; 2 — теплоаккумулирующий слой; 3 — теплоизоляция; 4 — воздушный канал; 5 — клапан; б — решетка; 7 — байпасные воздушные клапаны; 8 — вентилятор.

Электротеплоаккумулирующие печи с твердым теплоаккумулирующим материалом подразделяют на три типа (рисунок 12):

- Нерегулируемые (рисунок 12, 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 (рисунок 12, б). Внутренний конвективный канал и регулирующий клапан позволяют поддерживать более ровную температуру помещения в течение суток;

- Динамические теплоаккумуляторы (рисунок 12, 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.

В настоящее время в России выпускаются печи третьего типа мощно­стью от 2 до 7,5 кВт; рассчитанные на 8 ч зарядки.

На рисунке 13 показана схема у правления системой электроаккумуляционного отопления одноквартирного дома с зарядкой приборов в ночное время, продолжительность которой регулируется в зависимости от температуры наружного воздуха и остаточной теплоты в приборах.

Рисунок 13. Электротеплоаккумуляционная система отопления одноквартирного дома: 1-датчик температуры наружного воздуха; 2-электрокабель; 3-электротеплоаккумуляционный отопительный прибор; 4-датчик температуры внутреннего воздуха; 5-кабель управления; 6 — блок автоматического регулирования; 7 — трехфазный электроввод.

В южных районах страны электротеплоаккумуляционное отопление может быть обеспечено применением не только печей, но и панелей с греющим электрическим кабелем.

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

Инфракрасные обогреватели

Система лучистого отопления с применением инфракрасных электроизлучателей обеспечивает комфортные тепловые условия человеку при пониженных температурах окружающего воздуха.

Инфракрасное излучение не поглощается воздухом и, попадая на тело человека, нагревает подкожные слои на значительную глубину, уменьшая или ликвидируя тем самым дефицит в тепловом балансе человека. Механизм поглощения теплового излучения телом человека обеспечивает ощущение теплового комфорта на длительное время даже после прекращения поступления потока лучистой энергии.

Тепловое ощущение человека в значительной степени зависит как от средней облученности тела человека, так и от облученности его отдельных участков. А это определяется схемой размещения инфракрасных обогревателей.

Инфракрасные обогреватели (рисунок 14),могут составить конкуренцию даже так называемым «теплым полам». Принцип действия их напоминает работу солнца, лучи которого свободно проходят сквозь атмосферу и нагревают только поверхность Земли и все, что на ней находится. Воздух, нагреваясь от земли и поднимаясь верх, создает комфорт теплого весеннего вечера, о котором можно только мечтать. Точно так же действуют и инфракрасные обогреватели, лучи которых, подобно солнечным лучам, проходят сквозь толщу воздуха и согревают пол и предметы на нем. Особенно эффективно применение этих обогреватетелей в больших неотапливаемых помещениях, где не надо поддерживать постоянную температуру.

Рисунок 14. Инфракрасный обогреватель: 1 — корпус; 2 — регуляторы режима; 3 — инфракрасный излучатель; 4 — отражающий слой; 5 — направление движения тепловых лучей.

При включении излучателя над определенным местом тепло ощущается сразу, и человек испытывает комфорт. При этом затраты на устройство обогревателя минимальны — стоимость оборудования плюс незначительные расходы на монтаж. Обогреватели легко могут быть смонтированы на потолке или стенах, монтажной арматуре системы освещения и т.д. Инфракрасные обогреватели не оказывают отрицательного влияния на микроклимат помещений, содержание в них кислорода, а спектр их теплового излучения безвреден для человека.

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 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 механохимический эффект;

- использующие магнетокалорический 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.

В системах отопления в основном применяются тепловые насосы парокомпрессионного типа. Принцип работы компрессионного теплового насоса установлен кельвином в 1852 г.

Рисунок 15. Схема парокомпрессионного теплового насоса: 1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — регулирующий вентиль; 4 — испаритель.

На рисунке 15 изображена принципиальная схема парокомпрессионной теплонасосной установки.

В компрессоре при подводе механической энергии сжимается пар хладагента, при этом повышается давление и, следовательно, соответствующая ему температура фазового перехода — конденсации. Проходя через конденсатор (теплообменник), пар, превращается в жидкость, отдавая нагреваемой среде (воздуху помещения или промежуточному теплоносителю) теплоту перегрева и конденсации. Жидкий хладагент поступает к дроссельному вентилю, после которого он, преодолев гидравлическое сопротивление и, находясь на всасывающей линии компрессора, понижает свое давление. Затем, в испарителе хладагент переходит в парообразное состояние при соответствующей этому давлению более низкой температуре, отбирая теплоту на парообразование от низкотемпературной среды. Получившийся влажный пар вновь поступает в компрессор, и процесс повторяется.

Перспективным для отопления может стать тепловой насос, использующий термоэлектрический эффект Пельтье (1834 г.). Сущность эффекта заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников, причем количество теплоты пропорционально силе тока. Академик А.Ф. Иоффе в 1949 г. предложил использовать цепь Пельтье для отопления помещений. В 1957 г. Были разработаны полупроводниковые отопительно-охладительные агрегаты, в которых теплота выделялась в месте спая полупроводника с дырчатой (положительной) проводимостью и полупроводника с электронной (отрицательной) проводимостью при протекании через спай постоянного тока. Теплота выделяется при протекании электрического тока от положи­тельного полупроводника к отрицательному и поглощается при движении тока в обратном направлении.

Рисунок 16. Конструкции тепловых насосов: а — тепловой насос, работающий на полупроводниках; б — насос, действующий по принципу «воздух-воздух»; в — то же по принципу «воздух-вода»; 1 — полупроводник; 2 — тепловая изоляция; 3 — оребрение горячих спаев; 4 -оребрение холодных спаев; 5 — патрубок с решеткой для входа нагреваемого воздуха; 6 -вентилятор для перемещения внутреннего воздуха; 7, 8 — решетки для входа и выхода на­ружного воздуха; 9 — вентилятор для перемещения наружного воздуха; 10 — патрубок с решеткой для выхода нагретого воздуха; 11,12 — патрубки для подачи и отвода низкотемпературной воды.

Термоэлектрическую батарею, состоящую из большого числа спаев, устраивают так, чтобы спаи, поглощающие и выделяющие теплоту, были разделены и находились в изолированных друг от друга каналах. В одном канале происходит охлаждение среды, в другом -нагревание (рисунок 15, а). Нагретую среду используют для отопления помещений, приме­няя схему «воздух-воздух» (рисунок 16, б) или «воздух-вода» (рисунок 16, в). Достоинствами такого теплового насоса являются отсутствие компрессоров, компактность, бесшумность, долговечность, простота обслуживания и регулирования.

Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов зависят от источников низкопотенциальной теплоты. Идеальный источник теплоты должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного периода, быть изобильным, не вызывать коррозии и загрязнения элементов теплового насоса, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных затрат на его использование и расходов по обслуживанию.

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 пери од 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 0 °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 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 температуры 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, отмечена долговечность тепловых насосов от 15 (класса «воздух-воздух») до 19 (класса «воздух-вода») лет. Следует отметить, что данный вывод сделан для установок, имеющих в своем 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 η_п=2,5, получим, что расход электроэнергии на отопление с помощью теплового насоса составит 40…45 % расхода в системе 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 в теплоте 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. 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.

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). Однако остается основной недостаток электрического отопления — перерасход первичного топлива.

Рисунок 17. Электрокотел: 1 — корпус; 2 — пакет диэлектрических пластин; 3 — пакет электродов; 4 — патрубок для входа нагреваемой воды; 5 — вводы электропитания; 6 — патрубок.

В отопительных системах применяют водогрейные электродные котлы, работа которых основана на прямом нагревании воды электрическим током. Ток протекает через движущуюся в котле воду, представляющую собой активное сопротивление. Корпус котла (рисунок 17), выполняемый из специальных сталей, имеет входной и выходной патрубки для воды. Вода движется между пластинчатыми или цилиндрическими электродами, связанными в один пакет. В корпусе помещено устройство для регулирования мощности котла в виде пакета диэлектрических пластин или цилиндров, входящих в зазоры между электродами и перемещающихся вдоль них.

Если электроды и корпус котла изготовлены из нержавеющей стали, в систему отопления может быть залита как вода, так и антифриз. Корпус котла имеет тепловую изоляцию.

Котлы изготовляют номинальной мощностью от 3 кВт до 1 МВт (низкого напряжения) и от 1 до 10 МВт (высокого напряжения) для работы на переменном токе. При высоком напряжении (6… 10 кВ) их устанавливают в специальном помещении, а при низком напряжении (0,4 кВ) — непосредственно в обогреваемом здании. Выпускаемые в России и за рубежом электрокотлы могут осуществлять ступенчатое регулирование мощности, имея от трех до семи ступеней регулирования.

Мощность электрокотлов зависит от удельного электрического сопротивления нагреваемой воды.

Удельное электросопротивление природных вод изменяется от 5000…2000 в озерах и реках севера страны до 500…3000 Ом/см в артезианских скважинах.

Для надежности отопления многоквартирных домов и других крупных объектов устанавливают не менее двух котлов (один резервный). Каждый котел сблокирован с циркуляционным насосом — котел отключается при остановке насоса. Обеспечивается также автоматическое включение резервного насоса при остановке работающего.

Работа современных электрокотлов автоматизирована: от датчика уровня теплоносителя передается сигнал, исключающий включение котла с незаполненной системой отопления. По датчику температуры теплоносителя исключается возможность превышения максимально допустимой (заданной) температуры. По датчику температуры в помещении осуществляется включение и отключение котла, позволяющее поддерживать заданную тем­пературу помещения с точностью 0,5 °С в диапазоне от 5 до 30 °С. Одновременно осуществляется диагностика работы котла, результаты которой показываются на внешних индикаторах.

Современные электрокотлы могут быть укомплектованы циркуляционными насосами, расширительными баками, шаровыми кранами, предохранительными клапанами.

В системах воздушного отопления сельскохозяйственных и промышленных зданий применяют электрокалориферы. Выпускаются электрокалориферы мощностью 33… 99 кВт для нагревания не менее 3000…7000 м³/ч воздуха на 30…100 °С, мощностью 15…90 кВт, с минимальной производительностью по воздуху от 1700 до 6000 м³/ч при перепаде температуры нагреваемого и нагретого воздуха от 35 до 65 °С, а также мощностью от 4,8 до 157 кВт при производительности по воздуху не менее 500…7500 м³/ч и перепаде температуры 35…60 °С. Электрокалорифер работает от сети напряжением 380 В, при этом на трубчатых нагревателях, соединенных по схеме «звезда», поддерживается 220 В. Электрокалорифер должен устанавливаться в закрытом помещении.

Электрокалорифер состоит из кожуха, оребренных трубчатых электронагревателей, выводов и шин. Кожух изготовляют из листовой стали на сварке. Трубчатые электронагреватели установлены внутри кожуха в три ряда в шахматном порядке. Каждый вертикальный ряд представляет собой самостоятельную тепловую и электрическую секцию, что позволяет работать на ступенях 100, 66,7 и 33,3 % установочной мощности.

При включении установки в сеть электрокалорифер работает на 100%-ной мощности. При повышении температуры воздуха в отапливаемом помещении выше установленного значения отключается одна секция, при дальнейшем повышении температуры — еще одна секция. Третья секция может автоматически отключаться при повышении температуры на поверхности оребрения выше 190 °С.

При больших электрокотельных или калориферных установках может оказаться экономически выгодным плавное регулирование мощности нагрева с помощью широтно-импульсной модуляции, при которой управляющий сигнал имеет постоянный период, а его длительность пропорциональна необходимому воздействию. Другими словами, можно уменьшить мощность калорифера или котла, подавая напряжение на установку в течение части, например, секундного периода.

При догревающем электроотоплении понижается общий расход первичного топлива на отопление зданий, и уменьшается установленная мощность электроотопительных приборов. В комбинированной системе, например, общественного здания с центральным базовым водяным или воздушным отоплением, обеспечивающим поддержание в течение ото­пительного сезона температуры 12… 14 °С, и электроотопительными приборами, повышающими температуру помещений в рабочее время, сочетаются преимущества автоматического поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха с экономичностью центрального отопления от ТЭЦ и крупных тепловых станций.

Увеличение капитальных затрат на установку доводчиков или других дополнительных электроотопительных приборов частично компенсируется экономией от снижения тепловой мощности базовой системы отопления. Экономия первичного топлива в условиях автоматического поддержания необходимой температуры в течение суток составляет не менее 5 %, а при отключении дополнительной системы в нерабочий период времени увеличивается до 15 %.

Лекция 15