Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

269

Новые нормативы по использованию тепловой изоляции действуют с

1 января 1995 года. Годовое потребление тепловой энергии определяют

следующие факторы:

• теплоотдача,

• вентиляция,

Внутренняя Наружная

поверхность поверхность

Внутренняя Наружная

поверхность поверхность

1. Внутренний слой

2. Кирпичная кладка

3. Клеевой слой

4. Слой теплоизоляции

5. Слой отделочного

материала

1. Внутренний слой

2. Кирпичная кладка

3. Слой теплоизоляции

4. Воздушный промежуток

5. Слой отделочного

материала

Рис. 10.9. Конструкция стены с

наружным теплоизоляционным

слоем

Рис. 10.10. Конструкция двух-

слойной стены с наружным

слоем, защищающим тепло-

изоляцию

• внутренние источники энергии,

• солнечная энергия.

Все эти факторы учитываются новыми нормативами.

Максимально допустимое потребление зависит от так называемого

А/V-отношения, которое определяется как отношение внешней поверхно-

сти (А) к объему здания (V). На рис. 10.11 показано допустимое годовое

удельное энергопотребление в зависимости от А/V-отношения.

По сравнению со старыми нормативами по использованию тепловой

изоляции новые нормативы ведут к уменьшению потребления тепловой

энергии приблизительно на 30 %.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

270

Рис. 10.11. Зависимость предельно допустимого удельного годового рас-

хода тепловой энергии, кВт·ч/м

, 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, тре-

бующие минимальных капитальных затрат, являются наиболее простыми

системами для отопления. В Германии пик нагрузки, как решающий фак-

тор для электростанций и энергосистем, приходится на зимнее время. До-

полнительная установка систем отопления приводит к большим капиталь-

ным затратам и даже заметно повышает цены на бытовую электроэнергию.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

271

При этом следует иметь в виду, что при климатических условиях, преобла-

дающих 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, ра-

ботающие на жидком топливе. Обе системы требовали обслуживания, и

жители были заинтересованы в появлении автоматизированных отопи-

тельных систем. Со своей стороны, предприятия-производители электро-

энергии были заинтересованы в заполнении «ночной» ниши, которое по-

зволило 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 нагревате-

лей с аккумулированием тепла. В этот период природный газ еще не был

доступен на рынке как конкурентоспособный источник первичной энер-

гии. Эти благоприятные условия привели к быстрому распространению

системы нагрева с использованием нагревателей с аккумулированием теп-

ла. Для замены угольных котлов в старых зданиях были разработаны на-

греватели с аккумулированием тепла для систем центрального отопления,

а для новых зданий – нагреватели такого типа для подогрева пола. Для но-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

272

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 централь-

ного отопления с аккумулированием тепла», которые, как и другие подоб-

ные системы, состоят из центрального нагревателя, от которого горячая

вода поступает в радиаторы или в трубы водяного подогрева полов.

Теперь несколько статистических данных. В Германии приблизи-

тельно 2,4 миллиона квартир оборудовано нагревателями с аккумулирова-

нием тепла, это составляет примерно 9 % (столько же квартир с централи-

зованным теплоснабжением). Приблизительно 95 % нагревателей с акку-

мулированием тепла установлено в каждой комнате. На рис. 10.13 показан

принцип действия подобного нагревателя. Системы подогрева пола и сис-

темы центрального отопления с аккумулированием тепла составляют соот-

ветственно 3 и 2 %.

В настоящее время большой интерес вызывает вопрос расхода пер-

вичной энергии на отопление. Но прежде чем ответить на него, необходи-

мо проанализировать возникающие потери энергии.

Любая система нагрева имеет потери:

• при генерировании тепла,

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

273

• при распределении тепла,

• при работе системы управления, когда возникает ситуация несоот-

ветствия 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 превращает-

ся 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.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

274

С учетом тепловой инерции массивных конструкций здания система

управления регулирует количество аккумулированной теплоты в соответ-

ствии с внешней температурой последних двух дней. Точное поддержание

заданной температуры в помещении производится с помощью вентилято-

ра, установленного в нагревателе, который по мере необходимости вклю-

чается или выключается.

Нагреватель с аккумулированием тепла обладает следующими пре-

имуществами:

• 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 про-

изводительность, поэтому требуется только несколько минут, чтобы на-

греть помещение до необходимой температуры при возвращении жильцов

в холодную 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 израсхо-

довал.

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 отве-

чает нормальному закону распределения Гаусса.

Конечная энергия является видом энергии, которую оплачивает по-

требитель. Это единственный вид энергии, который может быть точно из-

мерен.

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

год.

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

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

275

в год. В соответствии с новыми нормами допустимое потребление элек-

троэнергии лежит в пределах от 54 до 100 кВт·ч/м

в год в зависимости от

А/V-отношения.

Подобная оценка была проведена для сравнения потребления энер-

гии в квартирах с электрическими нагревателями, аккумулирующими теп-

ло, и квартирах домов с центральным отоплением, работающим на жидком

топливе. Результат приведен на рис. 10.15. Квартира отапливается систе-

мой, работающей на жидком топливе, потребляет в среднем 207 кВт·ч/м

год.

000

0,4

1,4

7,1

10,3

15,4

14,4

10,1

7,3

3,9

2,4

1,2

0,8

0,6

0000000

0,2

6,5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Годовое потребление электроэнергии (кВтч/м )

Численность квартир (%)

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 содержа-

ние жилища, поскольку потребление энергии нагревателями происходит в

ночное время, оплачивается по льготному тарифу и может контролиро-

ваться.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

276

Для оценки первичной энергии следует учесть потери при ее произ-

водстве и передаче. В Германии потребление первичной энергии нагрева-

телями с аккумулированием тепла оказывается лишь на 40 % выше, чем

системами центрального отопления на жидком топливе. Приемлемы ли та-

кие потери, следует решать в зависимости от рода первичной энергии.

По эмиссии СО обе системы почти одинаковы.

Численность квартир и домов (%)

Годовое потребление электроэнергии (кВтч/м )

1,4

35,4

1,6

000000000

2,6

19,3

31,7

24,7

12,7

5,8

1,9

0,8

0,6

47,2

0 40 80 120 160 200 240 260 320 360 400 440

Электрический

обогреватель с

аккумуляцией

тепла

Отопительная

система,

работающая на

жидком топливе

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 элек-

трическими. Эти настенные установки емкостью 60 или 80 литров (номи-

нальной 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

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

277

5 литров горячей или кипящей воды. Каждый раз перед использованием

прибор заполняется необходимым количеством воды. Устройство подклю-

чается к сети мощностью 2 кВт.

Электрические водонагреватели с теплоизоляцией позволяют сохра-

нять 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 уста-

новки в кухне или на раковине для мытья и подключаются к сети мощно-

стью 2 кВт.

Имеются также спрессованные водонагреватели «закрытого» типа,

питающие несколько выпускных кранов. Емкость таких нагревателей мо-

жет 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 горя-

чей воды емкостью до 300 литров. Они устанавливаются в нежилых поме-

щениях. 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, теку-

щую через нагреватель. Такие нагреватели требуют довольно значитель-

ном мощности: 18, 21, 24 и 27 кВт. Приборы подключаются к трехфазной

сети.

Короткое время работы нагревателей проточного типа (приблизи-

тельно 10 минут на человека в день) определяет малую вероятность одно-

временного 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.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

278

Водонагреватель проточного типа может работать на несколько вы-

пускных кранов. Однако краны, по возможности, не должны использовать-

ся одновременно. Нагреватели проточного типа не имеют горячего резер-

вуара, потребляют энергию только тогда, когда через них протекает поток

воды, поэтому они не имеют тепловых потерь.

Водонагреватели проточного типа могут включаться на различные

ступени мощности в зависимости от расхода воды, которым точно регули-

руется температура ее на выходе. Эти приборы широко используются в

Германии, в течение 30 лет их установлено около 8 миллионов.

Водонагреватели проточного типа с электронным управлением обо-

рудуются регулятором мощности и термостатом. Их режимы работы могут

быть отрегулированы и приспособлены к индивидуальным условиям по-

требителя. Температура воды на выходе нагревателя остается постоянной

даже при изменении ее расхода. Их стоимость приблизительно в три раза

выше, чем стоимость обычных проточных нагревателей, но доля их на

рынке уже превышает 20 %. По сравнению с обычными потребление энер-

гии электронными проточными нагревателями примерно на 10 % ниже,

главным образом благодаря системе управления.

10.3. Тепловые насосы

Уже в XIX в. был разработан принцип действия теплового насоса,

который до сегодняшнего дня используется в каждой холодильной уста-

новке. При работе теплового насоса теплота отбирается от менее нагретого

источника и передается более нагретому приемнику путем ввода в систему

дополнительной механической энергии. Рисунок 10.16 иллюстрирует про-

цесс с использованием в качестве рабочего тела газа пропана R290.

В южных широтах тепловые насосы хорошо известны и применяют-