Анализ эффективности использования различных видов отопления в городском хозяйстве

Виктор ГОРБАЧЕВ,
ООО «ВИКС-1», г. Москва, Россия
Владимир ФИЛАРЕТОВ
ИАПУ ДВО РАН, г. Владивосток, Россия

Вступление.

Рассматриваются общие проблемы централизованного отопления жилых объектов. Качественно сравниваются экономические показатели существующего водяного отопления с децентрализованным прямым электроотоплением. Показана экономическая эффективность электроотопления и намечены области и регионы, где использование электроэнергии для отопления даст значительный эффект.

Актуальность проблем отопления.

Изменение экономической ориентации России привело к необходимости проведения реформы в жилищно-коммунальной сфере. До сих пор значительные бюджетные средства выделяются для дотации жилищно-коммунального хозяйства, а одна из самых затратных частей — отопление. Уже сегодня стоимость отопления составляет больше половины от всех коммунальных платежей. Анализ состояния систем отопления показал, что на него тратится 25-35% энергетических ресурсов России, а из них около 30% — это прямые потери [1,2]. Износ трубопроводов по стране составляет 50 — 70%. Значительные потери связаны с эксплуатацией устаревших и малоэффективных котельных, с большой протяженностью и неудовлетворительной изоляцией теплотрасс, плохой теплозащитой подъездов зданий и отсутствием у населения мотивации к экономии тепла из-за отсутствия системы учета и контроля потребляемой тепловой энергии. Следует отметить, что дома, построенные в России до 2000 г. имеют неудовлетворительные теплозащитные характеристики и по сравнению с современными строительными нормами требуют для отопления примерно в 2 ÷ 2,5 раза больших энергетических затрат. Кроме прямых потерь тепла значительный объем финансирования требуется и для эксплуатации существующей традиционной системы отопления, а также для устранения постоянно возникающих аварийных ситуаций (вскрытия и ремонта теплотрасс, восстановления жилищного фонда после протечек). Существующая практика организации отопления и используемое устаревшее оборудование часто приводят к загрязнению окружающей среды и значительному ухудшению экологической ситуации в городах. Есть несколько путей решения проблем отопления, и один из них — переход на современное стационарное прямое электроотопление. В России пока в массовом сознании электроэнергия прежде всего ассоциируется с освещением, бытовыми приборами, работой различных механизмов и только в незначительной степени — как источник тепловой энергии. Во многих Европейских странах электроотопление занимает важное место. Так в странах Скандинавии (кроме Дании) 90% загородных, не городских жилых объектов отапливается электричеством, во Франции ≈54%. Следует отметить, что для развитых стран доля бытового потребления электроэнергии все время возрастает и достигает по различным оценкам 25% от всей производимой электроэнергии. По прогнозам эта доля может достигнуть 40÷60 %. В России же бытовое потребление электроэнергии в зависимости от регионов пока не превышает 12-15%.

В работе [2] приводится структура индивидуального потребления электроэнергии населением Швеции:
— 50 ÷ 55 % — отопление;
— 30 ÷ 35 % — горячая вода;
— 15÷ 20 % — приготовление пищи, освещение и эксплуатация бытовых электроприборов.

Таким образом, можно сделать вывод, что отопление является самой энергоемкой сферой, и именно в этой области имеется значительный резерв для экономии энергоресурсов.

Сравнение двух подходов к отоплению.

Рассмотрим и проанализируем обобщенную схему реализации применяемого в настоящее время в коммунальном хозяйстве традиционного централизованного отопления и децентрализованного стационарного прямого электроотопления. Последнее обеспечивается при использовании электрических конвекторов, кабельных «теплых полов», инфракрасных обогревателей, а так же различных термостатов. При традиционном способе к объектам — потребителям тепла подводятся трубы для отопления и горячего водоснабжения, а также электроэнергия. А при электроотоплении -только электроэнергия, но большей мощности (см. рис.1).

Рассмотрим экономические показатели обоих подходов к отоплению.

Рис.1. Обобщенная схема подходов к отоплению

Капитальные затраты на котельную и долю электростанции на бытовые нужды больше капитальных затрат на строительство только электростанции на отопление и бытовые нужды: Зк + Зэл> Зэл. В некоторых регионах Сибири и Заполярного круга, где отсутствуют единые электросети, строят электростанцию и тепловую котельную на одном и том же виде топлива (уголь, мазут и др.). Затраты на котельную оказываются сопоставимы с затратами на электростанцию.

Капитальные затраты на прокладку теплотрасс Зтт выше затрат на подвод электроэнергии: Зтт > Зэс. Воздушные и кабельные электросети в целом дешевле и долговечнее водяных трубопроводов, стоимость которых очень сильно зависит от местных условий. В скалистой, горной местности прокладка подземных коммуникаций крайне затруднительно и затратная. В условиях вечной мерзлоты, трубопроводы ведутся над поверхностью земли, это требует повышенных затрат на теплозащиту и обслуживание. При этом воздушные и кабельные электросети существенно долговечнее водяных трубопроводов, эксплуатация которых также требует дополнительных расходов, а повреждение (особенно в зимний период) может привести к значительным утечкам, сопровождающимися длительными нарушениями транспортного сообщения в оживленных районах города и замерзанию жилых кварталов. Кроме того, время устранения повреждения электрических сетей намного меньше времени устранения повреждения трубопроводов.

Потери при транспортировке энергии от котельной до потребителя Рт значительно больше, чем потери электроэнергии на проводах: Рт > Рэ. Потери в электрических сетях составляет 3÷5%, а в трубопроводах при удовлетворительном уровне теплоизоляции потели составляют от 20 до 30%. При нарушении теплоизоляции, они могут достигать 70%.

Стоимость обслуживания теплотрасс От значительно превышает затраты на эксплуатацию линий электропередач или кабельных сетей От > Оэ. Ситуаций, которые приводят к разрушению теплотрасс и возникновению аварийных ситуаций много больше, чем при электропередаче. Даже отключение электроэнергии в зимний период часто приводит к разрывам в теплотрассах.

Капитальные затраты на установку традиционного отопления выше аналогичных при электроотоплении: Кт > Кэ. Стоимость традиционной системы отопления очень сильно зависит от производителя, но самое дешевое водяное отопление оказывается дороже оборудования для прямого стационарного электроотопления. Импортное и отечественное высококачественное оборудования дороже электроотопления в 2÷3 раза.

Монтаж и обслуживание традиционного отопления дороже электроотопления: . Монтаж традиционных систем требует привлечения квалифицированных специалистов, специального оборудования, а иногда сварочных работ и значительного времени. Монтаж электроотопления может быть выполнен электриками любой квалификации за относительно короткое время. При этом электроотопление не требует периодической профилактики и обслуживания. Потери тепла у потребителя при традиционном отоплении выше, чем при электроотоплении: . При отсутствии покомнатной и поквартирной системы регулирования температуры в помещениях потребитель либо перегревает своё помещение, и тогда зимой открываются окна, либо приходиться включать дополнительные электрообогревательные приборы, не всегда удовлетворяющие требованиям безопасности. При электроотоплении у потребителя наивысшая мотивация в экономии и рациональном использовании тепловой энергии, так как он непосредственно контролирует свои затраты и у него есть средства контроля за температурой в каждом помещении.

Срок службы электроотопительных систем в 2-3 раза больше чем у традиционных: Тт 17.10.2018 AdMElco

Виды электрического отопления

Существует много видов отопления. Один из них — отопление при помощи электричества. При этом за основную энергию, преобразуемую в тепло, берется электрическая. Причем преобразование осуществляется несколькими способами. Остановимся на них подробнее.

Существует пять основных видов отопления, базирующихся на использовании электрической энергии. Шестой вид — выработка и использование для своих нужд собственной электроэнергии разными методами — тема для отдельного разговора, поэтому его в этой статье рассматривать не будем.

Основные виды электрического отопления

1. Электрические котлы с контуром отопления.
2. Обогревающие электрические конвекторы.
3. Инфракрасные обогреватели.
4. Система электрического теплого пола.
5. Тепловентиляторы, электрические тепловые пушки (завесы) и масляные радиаторы (обогреватели).

Скажем сразу, почти все электрические системы отопления считаются дорогими в своей эксплуатации. Обусловлено это ценой электрической энергии. Возможно ли отапливаться электричеством наряду с другими видами топлива и не переплачивать? Ниже попробуем это выяснить, рассмотрев особенности каждого вида электро-отопления.

Принцип работы, плюсы и минусы каждого вида

Электрические котлы работают по принципу нагрева жидкости в присоединенном к ним внешнем контуре отопления.

Они бывают двух типов:

• котлы с установленными нагревателями — ТЭНами;
• электродные котлы.

Все знают обычные ТЭНы. Такие нагреватели устанавливают в корпус электрокотла, где они нагревают проточную воду. Вода нагреваясь, еще сильнее циркулирует в системе. Почти всегда устанавливаются циркуляционные насосы— для лучшего давления и циркуляции воды. Обычно в одном котле производители монтируют 3−4 ТЭНа. В зависимости от режима, они включаются по одному, группами или все вместе. Диапазон мощностей большинства выпускаемых котлов — от 3 до 50 кВт. Существуют модели, работающие от однофазной (220 в) и трехфазной (380 В) сети. К 3х- фазной сети подключают, как правило, более мощные котлы.

Электродный котел отличается тем, что электрический ток проходит с одного электрода на другой прямо через жидкость, которая в результате нагревается. Обычно в качестве жидкости используется не вода, а специальная незамерзающая жидкость или антифриз определенной марки. Из отечественных производителей широкое распространение получили электродные котлы марки Галан. Мощности котлов такого типа — от 5 до 25 кВт.

Достоинства всех электрических котлов следующие:

• малые габаритные размеры;
• простота установки и управления (кнопочные выключатели или электронный блок);
• точное и быстрое регулирование температуры;
• возможность подключения выносных датчиков комнатной температуры;
• бесшумная работа;
• относительно небольшая стоимость котлов;
• экологически безвредные (в результате чего не нужен дымоход);
• высокий КПД.

К недостаткам можно отнести следующее:

• довольно большие счета за электроэнергию в отопительный сезон (стоимость электричества дает о себе знать);
• у тэновых котлов со временем (через несколько лет) нагревательный элемент — ТЭН покрывается отложениями, накипью, и, рано или поздно, выходит из строя;
• также тэновые котлы при отсутствии воды (или малом ее количестве) в контуре выходят из строя — сгорают ТЭНы;
• большинство котлов требуют хорошей проводки, рассчитанной по мощности котла с запасом на другие нужды;
• в результате неправильных расчетов или экономии часто электрические котлы не справляются с нагрузкой— не могут в полной мере обеспечить дом теплом, не говоря про воду для хозяйственных нужд;
• котлы нагревают дом не сразу, а с некоторой (небольшой) задержкой;
• работа всех электрических котлов напрямую зависят от напряжения и мощности электрической сети, а электродные котлы, вдобавок, меняют свою мощность в зависимости от состава и температуры жидкости в системе отопления.

Обогревающие электрические конвекторы

Используют ТЭН в качестве рабочего элемента. Только здесь он установлен не в воде, а заключен в керамический изолятор и красивый безопасный корпус из алюминия или стали. Другими словами, нагрев идет от теплого корпуса прибора и воздуха внутри него. Нагретый воздух начинает подниматься вверх, уступая место более холодному, начинается циркуляция и нагрев воздуха в помещении.

• напольные;
• настенные— плоские прямоугольники разных размеров;
• могут быть встроенными или внешними;
• внутри всегда вмонтирован термостат (или электронный блок управления), который поддерживает нужную температуру.

Такие приборы можно установить в любом месте. Они довольно быстро прогревают комнаты, конечно, если точно рассчитано их количество и мощность. Практически не требуют управления: термостат поддержит выбранный режим. Современные модели не сушат воздух, их корпус надежно изолирован от ТЭНа, благодаря чему детали корпуса не нагреваются более 60 градусов и прибор может применяться во влажных помещениях.

К минусам относится малая мощность одного конвектора — для обогрева здания их понадобится большое количество. Проводка должна выдерживать суммарную мощность всех конвекторов (обычно мощность одного прибора от 1 до 3 кВт).

Инфракрасные обогреватели

Инфракрасные обогревателистали популярны совсем недавно. Принцип их заключается в преобразовании электроэнергии в инфракрасные лучи (кварцевым излучателем), которые, в свою очередь нагревают любые предметы, находящиеся только на их пути.

Конструктивно могут выполняться:

• в виде плоских настенных или напольных прямоугольников
• в виде различных устройств на ножках

Мощность обогревателей разных моделей колеблется от 0,25 до 3−4 кВт. Обычно имеется ступенчатый регулятор мощности.

Такие нагреватели могут быстро нагреть воздух в определенной зоне. Это их плюс и минус. Для полноценного обогрева помещения их понадобится довольно много. Для нормального нагрева помещения существуют системы инфракрасных теплых полов или стен. Конечно, они экономичнее других видов электрического отопления, но общие затраты всех обогревателей все равно довольно высокие.

Экономичность инфракрасных обогревателей обусловлена тем, что их можно направить только на нужные участки обогрева. При этом в одном помещении возможно сделать зоны с разным температурным режимом. Кроме того, если человек будет находиться в зоне действия лучей обогревателя, он сам будет немного нагреваться (хотя воздух будет не так нагрет), и будет субъективно чувствовать себя комфортней. Такие приборы экономичней электрических котлов на 20−35%.

Электрический теплый пол

Представляет собой тонкие проводники тока, вмонтированные в пол.

• кабель, укладываемый на нужных участках пола (волнами, зигзагами, полосами)
• в виде пленки с нанесенным проводником (по типу печатных плат радиоаппаратуры).

Проводник всегда делается из определенных материалов, для тока представляет большое сопротивление. Поэтому нагревается во время прохождения тока. В результате нагревается и сам пол, отдавая затем тепло воздуху в помещении.

• возможна заливка кабеля в бетон или наливной пол
• можно просто закрепить кабель под дощатым или паркетным полом
• пленочные маты можно постелить под линолеум или ламинат.

Другими словами, такой теплый пол можно установить в любых помещениях.

Количество греющего кабеля или мата рассчитывается исходя из их характеристик и площади помещения. Подключаются они к электросети через электронный регулятор, которым устанавливают нужный режим обогрева. Данный регулятор сам включит и выключит обогрев в нужное время, что сэкономит ваши расходы.

Довольно удобный вид отопления. Но для хорошего обогрева потребуется монтаж теплого пола по всей площади пола. При больших же размерах помещения расходы на обогрев будут велики.

Различные виды тепловентиляторов, масляных обогревателей и тепловых завес применяются только в качестве вспомогательного обогрева. Объясняется это их недостатками. Почти все они быстро нагревают помещение, но только если оно небольшое (это не касается мощных тепловых пушек и завес). При этом они потребляют довольно много электроэнергии и являются пожароопасными. Как правило обладают самой простейшей регулировкой мощности и не могут сами поддерживать нужную температуру. Почти всегда сушат воздух, что в большинстве случаев является минусом.

Общие аспекты электрического отопления

За исключение котлов, все виды электрического отопления не требуют внешних нагревательных и вспомогательных устройств (контуров и радиаторов отопления, дымоходов), что является их несомненным плюсом. Они довольно легки в управлении и монтаже, обладают малой инерционностью. Часто возможно подключение электронных блоков управления и дистанционная работа с ними.

Опять же, большинство рассмотренных видов электро-отопления довольно дороги в свей эксплуатации. Мощность практически всех приборов, нужная для обогрева помещения определенной площади, требуется примерно одинаковая, и она довольна велика. Принято считать, что для отопления 100 кв. метров с высотой потолка 2,5−3 м требуется 12−16 кВт мощности электроприбора.

Тут еще влияет фактор географического нахождения обогреваемого дома. В южных районах страны расходы на электрическое отопление будут гораздо меньше, чем в северных. Большую роль играет и конструкция, утепление дома. Чем теплее и меньше сам дом, тем меньше потребуется электроэнергии для его обогрева. Обычно электричество применяют для обогрева небольших по площади одноэтажных домов или квартир в домах городского типа при наличии мощной проводки. В остальных случаях электрическое отопление применяют как вспомогательное.

И самое главное — такой вид отопления делает вас полностью зависимыми от наличия самой электроэнергии, делает систему энергозависимой.

Большую экономию дает применение электродных котлов, теплых инфракрасных обогревателей и приборов с автоматическим регулятором режима и температуры (так называемый умный дом).

Смонтированный в подвале моего дома электрический котел с тремя ТЭНами фирмы «Морион» (см. фото) используется изначально, с этапа проектирования, как запасной вариант. Я его практически не включаю. Общая мощность котла — 6 кВт (3*2 кВт).

Этой мощности для хорошо утепленного дома (внутренняя отделка, пеноблоки, утепляющий слой пенопласта, облицовка кирпичом) площадью 95 кв. метров в условиях Урала хватает только на поддержание температуры в комнатах в пределах 15−18 градусов, а в сильные морозы его хватает только на удержание водяного контура отопления от разморозки.

Также обстоят дела и у моих соседей: один из них в течении одного месяца пользовался таким же котлом для обогрева нового дома площадью 64 кв. метра, что обошлось ему в 6 тыс. рублей. Позднее (и сейчас), после подключения газа у него уходит 1−1,5 тыс. рублей в месяц на отопление. Разница ощутимая.

В тоже время, распространенные электродные котлы с автоматической регулировкой и незамерзающей жидкостью в нашей местности «потребляют» 2−3 тыс. рублей в месяц, что соизмеримо с затратами на газовое отопление.