Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Введение
Создание комфортной среды обитания человека – цель, стоящая перед человечеством на протяжении всего его существования. А правильный, во всех смыслах, температурный режим в индивидуальных домах и квартирах, одна из главных составных задач при достижении этой цели. Всегда есть и обратная сторона любого вопроса – это цена его решения. Затраты на отопление и подготовку горячей воды в индивидуальном хозяйстве составляют значительную долю в бюджете каждой семьи и оптимизация их важна для каждого.
В энергетических задачах, оптимизация затрат всегда связана со стремлением уравнять требуемое количество энергии для создания комфортных условий к оплаченной. Между тем, все мы прекрасно понимаем, что если в канализацию сливается горячая вода, из ванны или душа сливается горячая вода, из трубы котлов идет горячий дым, то это означает, что часть энергии (денег) выбрасывается. При покупке котлов специалисты подбирают оборудование по максимальным значениям. Существующие методики подбора техники основаны на работе оборудования при максимально возможных климатических условиях. С одной стороны, это правильно, с другой, подбор котла, обеспечивающего отопление дома при внешней температуре –35 °С, приводит к тому, что 99 % времени работы он сильно недогружен и работает с низкой эффективностью. Если спросить у Заказчика, что вы выбираете? Купить котел, обеспечивающий 20 °С тепла в помещении при –35 °С, как положено по нормам, не смотря на то, что, к примеру, в Москве такая температура бывает только один раз в 20 лет. Или купить котел на 20 % дешевле и потратить на оплату топлива за время всей жизни котла (10 лет) на 200 000 рублей меньше, при условии, что в день, когда (предположительно раз в 20 лет) за окнами будет –35 °С, при условии, что у вас в доме будет не положенные 20, а 17 °С. Думаем, большинство Заказчиков примут именно второй вариант.
Современные методы оптимизации инженерного оборудования способны предложить и более эффективный вариант: купить котел еще дешевле и меньшей стоимости и поставить дополнительное устройство, тепловой аккумулятор, который способен аккумулировать тепло в периоды малого потребления энергии и выдавать тепло в периоды максимальной нагрузки. Это и есть путь к высокоэффективным энергетическим системам.
Повышение эффективности теплогенерирующих установок за счет утилизации теплоты, использования энергии возобновляемых источников, ее аккумулирование и последующее использование в системах отопления и ГВС в моменты «пиковой нагрузки», является актуальной задачей, стоящей перед наукой и промышленными предприятиями.
Аккумуляцией (аккумулированием) тепловой энергии или аккумуляцией теплоты называется процесс накопления тепловой энергии в период ее наибольшего поступления для последующего использования, когда в этом возникнет необходимость. Накопление энергии называется – зарядкой, ее использование – разрядкой.
Использованием данного процесса на практике человечество занимается с незапамятных времен. Классическая русская кирпичная печь – отличный пример такого применения. Кроме приготовления пищи, такая печь еще и обогревала помещение. Вес русской печи более трех тонн. Кирпич при нагреве аккумулирует тепловую энергию, а потом, в течение нескольких часов, охлаждаясь, отдает энергию в помещение. Продолжение этой идеи в наше время – использование твердотопливного котла и теплового аккумулятора.
Проблема твердотопливных бытовых котлов в том, что топливо необходимо подкладывать постоянно. Одной загрузки дров хватает на пару часов, в лучшем случае, и, при низкой температуре зимой, приходится подкладывать топливо часто. Ночью это трудно и использование теплового аккумулятора позволит решить проблему поддержания температуры продолжительное время.
Тепловые аккумуляторы позволяют оптимизировать энергопотребление. Можно выбрать режим работы энергетической установки (котел) при максимальном КПД ее работы. В большинстве случаев, это режимы с избытком энергии, который можно направить на зарядку теплового аккумулятора. При отключенном котле, обогрев помещения будет происходить от заряженного аккумулятора. Тоже происходит при наличии устройств возобновляемых источников энергии, например, солнечных коллекторов. Летом, Солнце восходит в рано утром, а потребление тепловой энергии, для ГВС начинается обычно в 7–8 утра. Тепловая солнечная энергия раннего утра может быть заряжена в тепловом аккумуляторе и использована по мере необходимости в более позднее время. Для реализации использования солнечной тепловой энергии в течение всего светового дня можно использовать солнечные коллекторы, конструкции и принцип работы которых описаны в первой части учебного пособия [1].
На производственных предприятиях, тепловые аккумуляторы можно использовать для утилизации энергии технологических процессов, сточных вод, температуры дымовых газов. Если на предприятии или в индивидуальном хозяйстве установлены счетчики электроэнергии с дневным и ночным тарифом, то зарядка теплового аккумулятора ночью с дневной разрядкой позволит экономить значительные денежные суммы.
Тепловой аккумулятор (ТА) – устройство для накопления тепла с целью его дальнейшего использования [2].
Тепловой аккумулятор позволяет снизить энергозатраты на отопление и горячее водоснабжение, увеличить ресурс работы оборудования и эффективность системы отопления.
На рис. 1 показаны некоторые типы тепловых аккумуляторов.
Рис. 1. Тепловые аккумуляторы
ТА – устройство для аккумулирования тепловой энергии, основанное на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты.
Тепловые аккумуляторы применяются в разных отраслях народного хозяйства – в атомных электростанциях, сельском хозяйстве, металлургии.
Данное учебное пособие посвящено использованию ТА в индивидуальных и децентрализированных (автономных) системах отопления и горячего водоснабжения.
Практически в 99 % случаев в России используются низкотемпературные приборы отопления – радиаторы различных типов, конвекторы, «теплые пол», воздушно-водяные вентиляторы. Все относятся к оборудованию с температурой теплоносителя от 30 до 100 °С. Нижний порог обусловлен минимальной комфортной температурой, а верхний – максимальной температурой воды, как наиболее часто используемого теплоносителя для отопления и ГВС.
Вторым ограничительным моментом предмета изучения данного учебного пособия, является продолжительность цикла работы теплового аккумулятора. В нем рассматриваются устройства кратковременного использования, связанные с циклом солнечного светового дня и ночи и суточной жизнедеятельностью человека, то есть продолжительностью работы от нескольких часов до суток. Максимальный рассматриваемый цикл применения оборудования равен неделе.
Бойлеры косвенного нагрева (БКН), устройство очень похожее на тепловой аккумулятор и фактически является тепловым аккумулятором, но есть некоторые особенности.
Бойлер (англ. boiler – котёл) – водонагревающее устройство в системе снабжения теплом и горячей водой. Как правило, при этом, в русском языке «бойлер» предполагается, как нечто отличное от котла. В быту, бойлером часто называют любой водонагреватель: бойлер косвенного нагрева, электроводонагреватель и даже газовую колонку.
Можно сказать, что название «БОЙЛЕР», в русском языке, приобрело смысл устройства для нагрева именно горячей воды, а не котла системы отопления.
Прямой нагрев – тепло от сжигания газа, твердого топлива, передается нагреваемому телу или среде, посредством теплопроводности, конвекции или излучения.
Косвенный нагрев – тело или среда нагревается под действием промежуточного нагревательного элемента. К примеру, первоначально, огонь нагревает трубку, по которой течет вода, затем нагретая трубка передает тепло нагреваемой среде. То есть, фактически, получается двухэтапный (двухступенчатый) процесс подогрева.
В нашем случае (БКН), для подготовки горячей воды используется тепло в трубах системы отопления. Они нагревают в емкости воду, которая используется, как горячая вода бытового и промышленного потребления.
Общее в тепловых аккумуляторах и бойлерах косвенного нагрева то, что они аккумулируют тепловую энергию, полученного от внешнего источника. Разница в том, то тепловые аккумуляторы выдают эту энергию в систему отопления, в случае, когда традиционной источник энергии отключен. В бойлерах косвенного нагрева, задача более узкая и специализированная – накопленная энергия тепла используется для подготовки именно горячей воды. В тепловых аккумуляторах материалом, аккумулирующим тепловую энергию, может быть любой материал (вода, камень, парафин, и так далее). В бойлерах косвенного нагрева, этим материалом может быть только вода.
Можно сказать, что бойлер косвенного нагрева, это специализированное применение теплового аккумулятора для подготовки воды в системе горячего водоснабжения конечного потребителя.
На рис. 2 показаны некоторые типы бойлеров косвенного нагрева.
Есть еще одна особенность применения БКН. В системах подготовки горячей воды для индивидуального потребления используют двухконтурные настенные котлы. Первый контур, это контур отопления. Второй контур – горячего водоснабжения. Подготовка горячей воды в таких котлах – вторичный режим. Система работает на отопление, как на основной режим постоянного использования. Если вам потребуется горячая вода, то котел переключается на производство горячей воды. Но это переключение продолжается несколько секунд. Кроме того, данные котлы обеспечивают потребление горячей водой только одну-две точки разбора. Например, кухонный кран и душевую. Если одновременно пользоваться горячей водой и душевой и кухонным краном, то трудно выставить комфортную температуру потребления горячей вода, поскольку горячую воду потребляют разные люди по своему усмотрению. При одновременном потреблении температура падает и это постоянно вызывает дискомфорт. То есть настенные двухконтурные котлы не могут обеспечить комфортное одновременное использование горячей водой несколько точек разбора. Если применить в системе бойлер косвенного нагрева, то можно решить этот вопрос. БКН, в данном случае, выступает как гаситель пиковой нагрузки потребления горячей воды.
Бойлеры косвенного нагрева, динамичные устройства, способные восстанавливаться от пикового потребления горячей воды за несколько десятков минут. Если в системе горячего водоснабжения индивидуального дома используется электрический водонагреватель, то после приема полноценного по времени душа даже одним человеком, требуется время восстановления температуры воды для следующего использования, равное часу и более. При использовании БКН, это время 10–20 минут.
Тепловые аккумуляторы более консервативные технические устройства. Цикл их полной зарядки и разрядки, как правило, оставляет несколько (более 5 часов), даже для самых оперативных систем с дневным циклом работы.
Рис. 2. Внешний вид и разрезы некоторых типов бойлеров косвенного нагрева
Современные тепловые аккумуляторы и бойлеры косвенного нагрева, технические устройства, позволяющие создать высокоэффективные энергосберегающие системы отопления и ГВС, с традиционными углеводородными энергетическими ресурсами и источниками возобновляемой энергии, для индивидуальных, коллективных и коммерческих зданий.
Литература по разделу Введение
1. Торопов А.Л. Комбинированные тепловые гелиосистемы. Ч. 1. Тепловые солнечные коллекторы для индивидуальных и децентрализованных систем отопления и горячего водоснабжения: учебное пособие. – М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2019. – 88 с.
2. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий.