mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.7.1104-1112mgssuvest-677Research ArticleИнженерные системы в строительствеEngineering systems in constructionЭнергетическая эффективность электрических котлов автономных индивидуальных систем теплоснабженияEnergy efficiency of electric boilers of autonomous individual heat supply systemshttps://orcid.org/0000-0002-7457-6948ТороповА. Л.ToropovA. L.

Алексей Леонидович Торопов — кандидат технических наук, генеральный директор — главный конструктор

105122, г. Москва, Щелковское шоссе, д. 13

РИНЦ AuthorID: 1030472, Scopus: 58406665800

Alexey L. Toropov — Candidate of Technical Sciences, General Director — Chief Designer

13 Schelkovskoe shosse, Moscow, 105122

RSCI AuthorID: 1030472, Scopus: 58406665800

Toropov@aprilgroup.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3356-9116СаргсянС. В.SargsyanS. V.

Самвел Володяевич Саргсян — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, директор Научно-образовательного центра «Теплогазоснабжение и вентиляция» (НОЦ «ТГВ»)

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ AuthorID: 429896, Scopus: 57204373040

Samvel V. Sargsyan — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation, Director of the Scientific and Educational Center “Heat and Gas Supply and Ventilation”

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

RSCI AuthorID: 429896, Scopus: 57204373040

sargsyansv@mgsu.ruИнженерный центр «Апрель» (ИЦ «Апрель»)РоссияEngineering Center “April”Russian FederationНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation20253107202520711041112Copyright © Торопов А.Л., Саргсян С.В., 20252025Торопов А.Л., Саргсян С.В.Toropov A.L., Sargsyan S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/677Введение

Введение. Электрические водяные котлы — один из вариантов тепловых генераторов, применяемых в автономных системах теплоснабжения. По сравнению с традиционными тепловыми генераторами на углеводородном топливе, они дешевле, проще в эксплуатации и монтаже, безопаснее. В ряде регионов страны тарифы на электрическую энергию позволяют им конкурировать с традиционными котлами по экономическим показателям. Цель исследования — определить и сравнить показатели энергетической эффективности электрических тепловых генераторов с разными типами камер нагрева с теплоносителями вода, антифриз; оценить возможность запуска системы теплоснабжения из переохлажденного состояния.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследования носят экспериментальный характер, испытания проведены на исследовательском стенде завода «Ардерия». Установлены характеристики энергетической эффективности электрических тепловых генераторов с объемной камерой нагрева с нагревательными элементами, контактирующими с теплоносителем и проточной камерой косвенного поверхностного нагрева. Выполнены испытания запуска системы в морозильной камере.

Результаты

Результаты. Определены коэффициенты энергетической эффективности исследуемых образцов электрических тепловых генераторов, составившие в среднем 93,5 % для объемных камер нагрева и 0,97 % для камер проточного типа. Классифицированы составляющие тепловых потерь электрических генераторов. Применение антифризов снижает показатели энергетической эффективности тепловых генераторов на 2,1 %. Подтверждена возможность запуска системы теплоснабжения с электрическим тепловым генератором с проточной камерой нагрева из переохлажденного состояния с температурой –16 °С.

Выводы

Выводы. Результаты исследования показали существенные преимущества электрических тепловых генераторов с камерой нагрева проточного типа с косвенным поверхностным нагревом над тепловыми электрическими генераторами с объемной камерой нагрева.

Introduction

Introduction. Electric water boilers are one of the options for heat generators used in autonomous heat supply systems. Compared to traditional heat generators on hydrocarbon fuel, they are cheaper, easier to operate and install, and safer. In a number of regions of the country, electricity tariffs allow them to compete with traditional boilers in terms of economic indicators. The purpose of the work — to determine and compare the energy efficiency indicators of electric heat generators with different types of heating chambers with water and antifreeze coolants. To assess the possibility of starting the heat supply system from a supercooled state.

Materials and methods

Materials and methods. The research is experimental in nature, the tests were conducted on the research stand of the “Arderia” plant. The characteristics of the energy efficiency of electric heat generators with a volumetric heating chamber with heating elements in contact with the coolant and a flow chamber of indirect surface heating were determined. Tests of starting the system in a freezer were conducted.

Results

Results. The energy efficiency coefficients of the studied samples of electric heat generators were determined, amounting to an average of 93.5 % for volumetric heating chambers and 0.97 % for flow-type chambers. The components of heat losses of electric generators were classified. The use of antifreezes reduces the energy efficiency of heat generators by 2.1 %. The possibility of starting a heat supply system with an electric heat generator with a flow-type heating chamber from a supercooled state with a temperature of minus 16 °C was confirmed.

Conclusions

Conclusions. The results of the study showed significant advantages of electric heat generators with a flow-type heating chamber with indirect surface heating over thermal electric generators with a volumetric heating chamber.

электрический котелэнергетическая эффективностьэлектрический нагревательный элементтеплоносительантифризтепловые потериelectric boilerenergy efficiencyelectric heating elementheat carrierantifreezeheat lossАвторы благодарят рецензентов за замечания по стилю изложения и научно-технической сути, способствующие более глубокому раскрытию темы научной работы.The authors thank the reviewers for their comments, both in terms of the style of presentation and the scientific and technical essence, which contribute to a deeper disclosure of the topic of scientific work.ReferencesСтертюков К.Г., Стародубцева О.А. Проблемы внедрения новых технологий и технических средств с целью увеличения КПД в энергетической отрасли // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2018. № 25. С. 58–73. EDN UOAKVZ.Stertyukov K.G., Starodubtseva O.A. Problems of introduction of new technologies and technical tools to increase efficiency in the energy sector. PNRPU Bulletin. Electrical engineering, information technology, control systems. 2018; 25:58-73. EDN UOAKVZ. (rus.).Торопов А.Л. Классификация электрических котлов резистивного нагрева автономных водяных систем теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 10. С. 1608–1616. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.10.1608-1616Toropov A.L. Classification of electric resistive heating boilers for autonomous water heating systems. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(10):1608-1616. DOI: 10.22227/19970935.2023.10.1608-1616 (rus.).Bloess A., Schill W.P., Zerrahn A. Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials // Applied Energy. 2018. Vol. 212. Pp. 1611–1626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.073Bloess A., Schill W.P., Zerrahn A. Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials. Applied Energy. 2018; 212:1611-1626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.073Pieper C. Transformation of the German energy system — Towards photovoltaic and wind power Technology Readiness Levels 2018 : PhD Dissertation. Technische Universität Dresden, 2018. 264 p.Pieper C. Transformation of the German energy system – Towards photovoltaic and wind power Technology Readiness Levels 2018 : PhD Dissertation. Technische Universität Dresden, 2018; 264.Hegazy A.A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical water-heaters // Applied Energy. 2002. Vol. 71. Issue 4. Pp. 287–306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5Hegazy A.A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical water-heaters. Applied Energy. 2002; 71(4):287-306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5Lee S., Jang D., Chung Y.S., Lee S. Cost-effective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020. Vol. 137. P. 105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992Lee S., Jang D., Chung Y.S., Lee S. Cost-effective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers. Composi-tes Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020; 137:105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992Пшеничников В. Коммерческие водонагреватели на предприятиях // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2011. № 6 (114). С. 40–43. EDN RHVZSV.Pshenichnikov V. Commercial water heaters at enterprises. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2011; 6(114):40-43. EDN RHVZSV. (rus.).Горкин А.П. Энциклопедия «Техника». М. : Росмэн, 2006. 488 с.Gorkin A.P. Encyclopedia “Technology”. Moscow, Rosmen, 2006; 488. (rus.).Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А., Чернявский А.Н. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. М. : Энергоатомиздат, 1989. 157 с.Belavin Yu.A., Evstigneev M.A., Chernyav-sky A.N. Tubular electric heaters and installations and their application. Moscow, Energoatomizdat, 1989; 157. (rus.).Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 927–934. DOI: 10.22227/19970935.2023.6.927-934Toropov A.L. Energy efficiency of an electric boiler with indirect surface resistive heating of the heat carrier. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(6):927-934. DOI: 10.22227/19970935.2023.6.927-934 (rus.).Maruf N.I., Morales-Espana G., Sijm J., Helisto N., Kiviluoma J. Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems : а review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 53. P. 102553. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102553Maruf N.I., Morales-Espana G., Sijm J., He-listo N., Kiviluoma J. Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems : а review. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022; 53:102553. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102553Muniak D.P. The impact of the use of antifreeze substances on the heating installation thermohydraulic parameters and energy consumption // Heat Transfer Engineering. 2021. Vol. 42. Issue 3–4. Pp. 347–353. DOI: 10.1080/01457632.2019.1699305Muniak D.P. The impact of the use of antifreeze substances on the heating installation thermohydraulic parameters and energy consumption. Heat Transfer Engineering. 2021; 42(3-4):347-353. DOI: 10.1080/01457632.2019.1699305Serkani G., Poncet S. Ethylene- and propylene-glycol based nanofluids : а Litterature review on their thermophysical properties and thermal performances // Applied Sciences. 2018. Vol. 8. Issue 11. P. 2311. DOI: 10.3390/app8112311Serkani G., Poncet S. Ethylene- and propylene-glycol based nanofluids : а Litterature review on their thermophysical properties and thermal performances. Applied Sciences. 2018; 8(11):2311. DOI: 10.3390/app8112311Хаванов П.А., Барынин К.П. Особенности применения водногликолевых теплоносителей в автономных системах теплоснабжения // ABOK. 2003. № 7.Khavanov P.A., Barynin K.P. Features of the use of water-glycol heat carriers in autonomous heat supply systems. AVOK. 2003; 7. (rus.).Хаванов П.А. Теплотехнические условия использования водногликолевых теплоносителей в автономных системах теплоснабжения // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2003. № 8.Khavanov P.A. Thermal engineering conditions for the use of water-glycol heat carriers in autonomous heat supply systems. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2003; 8. (rus.).Гольтяев О.М. Применение антифризов в системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха // ABOK. 2012. № 6. С. 46–55. EDN PBWOCP.Goltyaev O.M. Application of antifreezes in heating, ventilation, air conditioning systems. AVOK. 2012; 6:46-55. EDN PBWOCP. (rus.).Taileb A. A comparative study of a direct current heating system and a gas furnace heating coil // WEENTECH Proceedings in Energy. 2019. Pp. 185–194. DOI: 10.32438/WPE.3019Taileb A. A comparative study of a direct current heating system and a gas furnace heating coil. WEENTECH Proceedings in Energy. 2019; 185-194. DOI: 10.32438/WPE.3019Hegazy A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical water-heaters // Applied Energy. 2002. Vol. 71. Issue 4. Pp. 287–306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5Hegazy A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical water-heaters. Applied Energy. 2002; 71(4):287-306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5Lee S., Jang D., Chung Y.S., Lee S. Cost-effective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020. Vol. 137. P. 105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992Lee S., Jang D., Chung Y.S., Lee S. Cost-effective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020; 137:105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992Boldrini A., Jiménez Navarro J.P., Crijns-Graus W.H.J., van den Broek M.A. The role of district heating systems to provide balancing services in the European Union // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 154. P. 111853. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111853Boldrini A., Jiménez Navarro J.P., Crijns-Graus W.H.J., van den Broek M.A. The role of district heating systems to provide balancing services in the European Union. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022; 154:111853. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111853Пилипенко А.И. Промышленные электронагреватели // Промышленный электрообогрев и электроотопление. 2012. № 1. С. 28–34. EDN YWDUPQ.Pilipenko A.I. Industrial electrical heaters. Industrial Electric Heating and Electric Heating. 2012; 1:28-34. EDN YWDUPQ. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.