Енергоефективна інновація або перевірена часом класика
Про тепло як категорію комфорту
Напевно, сьогодні вже нікому не потрібно доводити, наскільки актуальною є тема отримання якісного тепла в умовах прагматичного ставлення до економіки.
Більшу частину свого життя ми проводимо в приміщенні: будинки, в робочому офісі, магазинах, кінотеатрах, державних установах і т.д. Час, проведений на свіжому повітрі, все більше стає екзотикою, а час перебування в різного роду будівлях складається в роки.
Ведені природними інстинктами і розуміючи, що наше здоров’я знаходиться тільки в наших власних руках, ми намагаємося своїми силами створити комфортну атмосферу там, де нам доводиться найдовше перебувати. Від того, в яких умовах і при якій температурі ми живемо, залежить наш психоемоційний стан, який визначає загальний фізичне і психологічне самопочуття і працездатність. Постійне перебування в некомфортних кліматичних умовах може загострити хронічні хвороби, викликати почуття дискомфорту, а часом і депресії. Тому тепло як категорія комфорту стійко займає наступну сходинку рейтингу в табелі про ранги після свіжого повітря, чистої води і якісного харчування.
Вибираючи ту чи іншу систему опалення, ми керуємося, в основному, нашими уявленнями про комфорт і економічність. Природно, що, з огляду на суб’єктивізм, поняття «ідеальна система опалення» не існує в принципі. У кожному конкретному випадку доводиться шукати компроміс між зручністю експлуатації, капітальними вкладеннями і енергоефективністю.
Безсумнівно, при рівному доступі до таких енергоресурсів, як електрика, газ і органічне паливо, пріоритетом завжди буде користуватися найдешевший, доступний, безпечний і зручний в експлуатації вид джерела тепла.
У країнах із високою культурою побуту і повагою до чистоти природний газ як паливо розглядається дуже рідко. Це наочно простежується у Скандинавії, де норвезькі родовища газу є найбільшими в Європі. Однак, у самій Норвегії, так само як і в сусідніх Швеції та Фінляндії, країнах, де опалювальний сезон триває 10 місяців на рік, для обігріву приміщень використовують електрику й альтернативні джерела енергії (наприклад, теплові насоси).
В ментальності наших людей слово «опалення» традиційно ототожнюється зі словом «газ». Газ є одним із відносно доступних (в окремих регіонах) і ефективних видів палива для котельного обладнання, тому саме опалювальні прилади, що працюють на газі, найчастіше встановлюються у приватних будинках і на дачах. Однак, останнім часом ціни на цей вид енергії стрімко пішли вгору в силу політичної кон’юнктури та обмеженості його ресурсів. До того ж даний спосіб опалення є пожежо- і вибухонебезпечним, вимагає підвищеної уваги при поводженні з ним і досить високих початкових капіталовкладень.
Котельне обладнання, яке працює на органічних видах палива, за останні роки зазнало значну модернізацію – якісно покращився дизайн, з’явилася елементарна автоматизація. Залишаючись найдешевшим видом опалення для регіонів, де органічна маса є в надлишку, твердопаливні котли займають провідні позиції – питома вартість одиниці виробленої теплової енергії тут досить низька. Основним недоліком твердопаливного котельного обладнання є необхідність постійного обслуговування і низька екологічність – наявність диму, пилу, золи і сміття.
Альтернативні джерела енергії поки ще не набули широкого поширення через високу питому вартість одиниці енергії, обмеженість умов застосування, небагатий вибір обладнання та стереотипи мислення. В основному вони використовуються як додаткові або аварійні джерела тепла. Але безперечно одне – за ними майбутнє!
Електричне опалення має явну перевагу перед своїми «колегами». Воно більш «чистоплотне» і зручне як при монтажі, так і під час експлуатації, не вимагає систем вентиляції приміщень, не має викидів і продуктів згоряння. Сучасний рівень розвитку електронної елементної бази та схемотехніки дозволяють без проблем втілити в життя саму вигадливу ідею. Грамотно розраховані і виготовлені системи електроопалення служать не один десяток років без будь-якого кардинального втручання. Сервісне обслуговування зведено до мінімуму. Тому все частіше вибір мислячого Споживача схиляється саме на їхню користь.
Серед електричних нагрівачів, які міцно вкоренилися на ринку, знаходяться ТЕНові електроприлади. Але з недавніх пір їх асортимент поповнився «добре забутою» ідеєю – генерацією тепла за допомогою електродних нагрівачів.
У чому відмінність між нагріванням за допомогою ТЕНів і електродним принципом нагріву?
Принцип роботи трубчастого електронагрівача (ТЕНа – рис. 1) полягає в послідовному розігріві ніхромового дроту, по якому протікає електричний струм, потім оточуючого його періклаза (піску на основі оксиду магнію), і нарешті, металевої трубки-корпусу (рис. 2). Вектор теплового потоку рухається від ніхрома через шар періклаза до стінки трубки, і далі – у воду або повітря. На кожному етапі свого шляху він втрачає частину теплової енергії.
Мал. 1. Види ТЕНів.
Мал. 2. Пристрій Тена.
Трубчастий електронагрівач (ТЕН) герметичного виконання: 1 – ніхромова спіраль, 2 – трубка, 3 – наповнювач, 4 – похідна шпилька, 5 – герметизуюча ущільнююча втулка, 6 – гайка для кріплення, 7 – висновки.
Спрощена фізико-математична модель цього процесу виглядає так.
Електрична енергія подається на ніхромову спіраль, де трансформується в теплову енергію за законом Джоуля-Ленца. Далі, через дрібнодисперсні кристали періклаза, які щільно оточують ніхром, теплова енергія перетікає до металевої трубки – стінки Тена, і далі – в воду або повітря.
Перший етап втрат – це к.к.д. перетворення електричної енергії в теплову на ніхромовому дроті, що дорівнює І1 ≈ 0,95.
Другий етап втрат – це передача теплової енергії від ніхромового дроту до щільної упаковки періклазової засипки, що дорівнює І2 ≈ 0,99.
Третій етап втрат – це передача теплової енергії всередині упаковки періклазової засипки безпосередньо між кристалами періклаза. Для забезпечення щільної засипки, без пустот, періклаз подрібнюють до розмірів 0,1 ÷ 0,5 мм. Отже, чим дрібніший розмір зерен, тим більша їх кількість. Припустимо, що к.к.д. передачі тепла від зерна до зерна досить великий: І ≈ 0,999.
Відомо, що загальне к.к.д. системи дорівнює добутку к.к.д. елементів, що входять у неї:
Ісистеми = Іх × Іх + 1 × Іх + 2 × …… × Іх + n
Перемноживши к.к.д. одного переходу тепла між кристалами (ɳ ≈ 0,999) між собою близько 100 разів (це визначається кількістю кристаликів періклаза між ніхромовим дротом і трубчастою стінкою Тена), отримуємо:
І періклаз = 0,999 × 0,999 × 0,0999 × …… × 0,999 (100) = 0,89
Четвертий етап втрат – це передача теплової енергії від щільної упаковки періклазової засипки до стінки Тена (І4 ≈ 0,99).
П’ятий етап втрат – це переміщення теплової енергії по кристалічній решітці металу стінки Тена (І5 ≈ 0,99).
Шостий етап втрат – це передача теплової енергії від стінки Тена безпосередньо воді (І6 ≈ 0,99).
Підсумковий розрахунковий к.к.д. Тена дорівнює:
Ітен = І1 × І2 × І3 × І4 × І5 × І6 = 0,95 × 0,99 × 0,89 × 0,99 × 0,99 × 0,99 = 0,81
Практика показує, що у кращих моделей ТЕНів к.к.д. лежить в діапазоні 80 ÷ 92%.
ий вид).
Основні недоліки ТЕНів:
– на ТЕНах через жорсткість водопровідної води з плином часу утворюється накип, який є теплоізолятором; в результаті відбувається порушення теплообміну між Теном і водою, що призводить до його перегорання;
– на нагрів води до необхідної температури нагрівача зі звичайним Теном знадобиться більше часу, при цьому витрачається набагато більше енергії, і, як результат, – великі переплати за витрачену енергію і тривале очікування гарячої води;
– висока пожежна небезпека і ймовірність виходу з ладу ТЕНа при відсутності води в системі;
– при виході з ладу Тени не підлягають ремонту і потрібна їх повна заміна, що помітно здорожчує експлуатаційні витрати;
– тени мають великі питомі розміри у співвідношенні до потужності;
– тени потужністю понад 15 кВт практично не виготовляються;
– максимальний термін служби ніхромової спіралі – не більше 10 000 годин (≈ 2,3 року).
Електродні нагрівачі серії «Гольфстрім» (ТУ У 29.7-37639343-001: 2011) – це прилади прямої дії, в основі роботи яких лежить іонна проводність теплоносія. Швидкий нагрів відбувається за рахунок протікання електричного струму безпосередньо через теплоносій, що призводить до зростання амплітуди коливань іонів теплоносія між електродами з частотою 50 Гц (рис. 4, 5). Електродні нагрівачі можуть працювати від однофазної або трифазної мережі змінного струму частотою 50 Гц і напругою 220 і 380 В і мають кліматичне виконання УХЛ 4.1 згідно ДСТУ 15150.
Мал. 4. Ескіз електродного нагрівача.
Мал. 5. Схематичне зображення роботи електродного нагрівача.
Електродні нагрівачі відрізняються рекордно високим коефіцієнтом перетворення електричної енергії в теплову. Ця властивість випливає з їх конструкції:
в електродних нагрівачах немає нагрівальних елементів –
нагрівальним елементом (резистором) служить сам теплоносій!
При тонкому інструментальному вимірі було встановлено, що температура електродів була на частки градуса нижче температури теплоносія, тобто резистивним елементом (або елементом перетворення електричної енергії в теплову) був сам теплоносій. Ця конструктивна особливість і визначила високий к.к.д. пристрою, близький до 1.
Основними перевагами електродних нагрівачів перед ТЕНами є:
■ висока експлуатаційна надійність і дешевизна ремонту (ресурс роботи електродів – не менше 50 000 годин);
■ відсутність накипних відкладень на електродах, тому що вони не є гріючим елементом;
■ “м’яка” пускова характеристика (відсутні сплески пускового струму) – після включення відбувається плавний вихід на повну потужність, тому що електропроводність теплоносія знаходиться у прямій залежності від її температури;
■ завдяки динамічності нагріву теплоносія досягається висока точність контролю і підтримки заданих температурних параметрів;
■ повна пожежна безпека при розгерметизації системи – при витоку теплоносія система нагрівання автоматично припиняє роботу, тому що переривається електричний контакт між електродами (розривається електричний ланцюг) і сила струму падає до нуля;
Мал. 6. Порівняльна характеристика споживання електроенергії електродним і ТЕНовим нагрівачами однакової потужності при нагріванні однакового обсягу води.
■ значно економиться споживана електроенергія (не менше 30% у порівнянні з ТЕНами). Експериментально встановлено, що електродні системи нагріву на 30 ÷ 32% економічніші ТЕНових. Це досягається за рахунок плавного виходу на повну потужність (рис. 6), більш динамічного нагріву води (рис. 7) і значно вищого к.к.д .;
Мал. 7. Порівняльний графік швидкості нагріву однакового обсягу води електродними і теновими нагрівачами однакової потужності.
■ високий коефіцієнт перетворення енергії (близький до 1), який обумовлений прямою трансформацією електричної енергії в теплову.
На основі електродних нагрівачів серії «Гольфстрім» розроблений широкий модельний ряд опалювального обладнання (рис. 8 ÷ 17). Дані розробки захищені кількома патентами України і РФ.
Мал. 8. Однофазний нагрівач потужністю до 5 кВт для опалення приміщень площею до 70 м2.
Мал. 9. Мінікотельні потужністю до 5 кВт із теплообмінником.
Електродний нагрівач потужністю до 5 кВт
Мал. 10. Варіант монтажу однофазного нагрівача.
Мал. 11. Трифазний нагрівач потужністю до 35 кВт для опалення приміщень площею до 500 м2.
Мал. 12. Мінікотельні потужністю до 35 кВт для опалення приміщень площею до 500 м2.
Мал. 13. Ескізний вид електродного теплопункту:
1 – монтажна рама; 2 – комплект електродних нагрівачів; 3 – бачок-компенсатор теплового розширення; 4 – вузол безпеки; 5 – сантехнічна фурнітура; 6 – колекторна збірка; 7 – циркуляційний насос першого контуру; 8 – пластинчастий теплообмінник; 9 – шафа автоматизації.
Мал. 14, 15, 16, 17. Варіанти виконання електродних теплопунктів потужністю 210 кВт для опалення приміщень площею до 3 000 м2.
Габарити – 1 260 × 500 × 1 320 мм (довжина × ширина × висота)
Основною умовою ефективної та економічної роботи для будь-якої системи опалення є якість теплоізоляції приміщень. Від цього залежить здатність приміщення ефективно утримувати отримане тепло. Помилково вважають, що
вартість опалення залежить від потужності теплопункту.
Робота електродного нагрівача спрямована на компенсацію теплових втрат приміщення, тому
кількість спожитої електроенергії
прямо залежить від тепловтрат приміщення.
Мінімізувати витрати на опалення можна тільки за рахунок
грамотно виконаних будівельних робіт і хорошої теплоізоляції приміщень.
Основні загальні переваги електродних нагрівачів:
■ висока експлуатаційна надійність (процес нагрівання базується на іонній провідності теплоносія і відбувається за рахунок безпосереднього протікання електричного струму через нього);
■ «м’яка» пускова характеристика (відсутні сплески пускового струму);
■ відсутні проникнення у мережу живлення зворотних паразитних гармонік, які можуть призводити до збою в роботі або виходу з ладу інших енергоспоживачів;
■ плавний вихід на повну потужність, оскільки електропровідність теплоносія знаходиться у прямій залежності від її температури;
■ висока точність контролю і підтримки заданих температурних параметрів;
■ компактність установки і простота монтажу;
■ можливість організації локальної (індивідуальної) системи опалення;
■ можливість використання як допоміжного джерела тепла в сумісній системі опалення;
■ безшумність у роботі (рівень шуму не перевищує 27 дБ);
■ повна пожежна безпека при розгерметизації системи (при витоку теплоносія система нагрівання автоматично припиняє роботу);
■ простота інтеграції в уже існуючі системи опалення;
■ значна економія споживаної електроенергії (не менше 30% в порівнянні з ТЕНами) за рахунок плавного виходу на повну потужність (рис. 2, 3) і алгоритму управління;
■ високий коефіцієнт перетворення енергії (до 99,5%).
У випадку встановлення електродного теплопункту колективного використання (на поверх, стояк під’їзду, в окремий багатоповерховий будинок) початкові капітальні витрати (закупівля, монтаж і пуско-налагодження обладнання) і витрати на обслуговування установки можуть скоротитися пропорційно кількості суміжних користувачів. Це особливо привабливо для Об’єднання власників багатоповерхових будинків (ОСББ).
Багаторічний досвід експлуатації електродних теплопунктів показав, що при температурі повітря на вулиці до -15° С для підтримки внутрішньої температури на рівні + 21° С теплопункт працює не більше 5 ÷ 7 годин на добу.
Електродні нагрівачі мають хороший дизайн і чудово вписуються в інтер’єр сучасного будинку.
Як теплоносій в електродних нагрівачах використовується спеціально підготовлена дистильована вода. Електропровідність теплоносія визначає потужність котельні установки. Графік залежності потужності електродного нагрівача серії «Гольфстрім» від електропровідності електроліту представлений на рис. 18.
Використовуючи даний графік, можна з легкістю переналаштувати нагрівач на будь-яку електричну потужність, необхідну Споживачеві, але не вище паспортно допустимої.
Для однофазного нагрівача НЕ 5-01 ТУ У 29.7-37639343-001: 2011 року (рис. 8) максимальна електрична потужність становить 5 кВА. Це обмеження продиктовано регламентом ПУЕ, який обмежує максимальне навантаження на одну фазу електричної мережі на рівні 5 кВА.
Трифазний нагрівальний елемент НЕ 35-01 ТУ У 29.7-37639343-001: 2011 потужністю до 35 кВА (рис. 11) є базовим елементом при конструюванні теплопунктів (рис. 14 ÷ 17). Конструктивно ІТП, ЦТП і БТП мають гідравлічну розв’язку з основним контуром опалення через пластинчастий теплообмінник (рис. 13). Таке рішення дозволяє мінімізувати обсяг підготовленого теплоносія, який, у даному випадку, застосовується тільки в первинному контурі. Вторинний контур заправляється звичайною водопровідною водою з мережі без будь-якої попередньої підготовки.
При такому підході регламентні операції із промивки радіаторів та трубопроводів значно спрощуються і дешевіють.
Як додаткове обладнання Замовнику пропонується безреагентна електромагнітна технологія пом’якшення води для профілактики кальцій-магнієвих відкладень і очищення вже існуючого накипу на внутрішній поверхні трубопроводів і теплообмінників.
Блоковий теплопункт (БТП) виготовляється у вигляді повністю готового до монтажу виробу і поставляється на об’єкт. БТП може складатися з одного або декількох блоків.
Мал. 18. Залежність потужності нагрівача від електропровідності теплоносія.
Переваги локального опалення очевидні. Досвід експлуатації показав, що при віддаленні Споживача від котельні центрального опалення більше, ніж на 800 м, опалення стає збитковим. Тепловтрати на теплотрасах досягають 70%, а систематичні аварії і малий термін служби сталевих труб призводять до невиправдано високих експлуатаційних витрат, спрямованих на підтримку їх у робочому стані.
Впровадження системи локального опалення має великий моральний і економічний ефект. Вона дозволяє:
– встановлювати температуру в приміщенні за бажанням Споживача, виходячи з його персонального уявлення про комфорт і економічності;
– знижувати температуру в приміщенні в разі тривалої відсутності там людей;
– дає можливість Споживачеві самостійно приймати рішення про початок і завершення опалювального сезону.
У даний час закінчено підготовку серійного виробництва з випуску широкого модельного ряду опалювального обладнання на базі однофазних і трифазних електродних нагрівачів, розроблено конструкторську документацію, затверджені ТУ і проведені регламентні випробування в державних органах технічного контролю.
Ми сподіваємося, що практична реалізація даного проекту розширить асортимент опалювального обладнання, стане частиною загальнонаціональної програми енергозбереження та захисту навколишнього середовища.