Энергетическая эффективность электрических котлов автономных индивидуальных систем теплоснабжения

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. 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. 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. 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.

1. Стертюков 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.

2. Торопов А.Л. Классификация электрических котлов резистивного нагрева автономных водяных систем теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 10. С. 1608–1616. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.10.1608-1616

3. 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.2017.12.073

4. Pieper C. Transformation of the German energy system — Towards photovoltaic and wind power Technology Readiness Levels 2018 : PhD Dissertation. Technische Universität Dresden, 2018. 264 p.

5. 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)00006-5

6. Lee 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.2020.105992

7. Пшеничников В. Коммерческие водонагреватели на предприятиях // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2011. № 6 (114). С. 40–43. EDN RHVZSV.

8. Горкин А.П. Энциклопедия «Техника». М. : Росмэн, 2006. 488 с.

9. Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А., Чернявский А.Н. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. М. : Энергоатомиздат, 1989. 157 с.

10. Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 927–934. DOI: 10.22227/19970935.2023.6.927-934

11. 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.2022.102553

12. Muniak 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: 10.1080/01457632.2019.1699305

13. Serkani 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/app8112311

14. Хаванов П.А., Барынин К.П. Особенности применения водногликолевых теплоносителей в автономных системах теплоснабжения // ABOK. 2003. № 7.

15. Хаванов П.А. Теплотехнические условия использования водногликолевых теплоносителей в автономных системах теплоснабжения // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2003. № 8.

16. Гольтяев О.М. Применение антифризов в системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха // ABOK. 2012. № 6. С. 46–55. EDN PBWOCP.

17. 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.3019

18. Hegazy 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)00006-5

19. Lee 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.2020.105992

20. Boldrini 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.2021.111853

21. Пилипенко А.И. Промышленные электронагреватели // Промышленный электрообогрев и электроотопление. 2012. № 1. С. 28–34. EDN YWDUPQ.