CC BY
8
ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ / REVIEW PAPER УДК 628.8
DOI: 10.22227/1997-0935.2022.11.1488-1498
Использование электрических котлов с иерархическим управлением нагрузкой для поквартирного теплоснабжения
Алексей Леонидович Торопов
Инженерный центр «Апрель»; г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Теплоснабжение помещений электрической энергией с трансформацией ее в тепловую энергию не приветствуется в связи с низким коэффициентом полезного действия ее первичного использования. Считается, что электрическое теплоснабжение многоквартирных домов имеет более высокий углеродный след, чем при отоплении с применением газовых котлов. Если рассматривать весь процесс жизненного цикла инженерных систем теплоснабжения, а также процесс производства систем дымоудаления, воздухоснабжения, снабжения газом, эксплуатационные затраты, то итоговый результат сравнения углеродного следа при использовании электрических и газовых котлов не однозначен. Проблема использования электрических котлов для теплоснабжения апартаментов связана с лимитом выделяемой энергии, равным 15 кВт.
Материалы и методы. Исследовалась работа настенного электрического котла для поквартирного теплоснабжения с иерархическим управлением нагрузкой. Применен режим управления с приоритетом на реализацию первоочередных физиологических, социальных потребностей владельцев помещений.
Результаты. Получено сравнение работы электрических теплогенераторов с симисторным и релейным контролем в условиях ограничения выделенной электрической мощности. Определены границы комфортного применения электрических тепловых генераторов для поквартирного теплоснабжения.
Выводы. Электрические котлы с симисторным управлением и малым шагом изменения нагрузки обладают возможен а ностью линейной модуляции во всем диапазоне изменения тепловых нагрузок автономных систем теплоснабжения.
о о
СЧ N
Структура потребления электрической энергии с использованием электрических котлов носит иерархический характер. Управление электрическим котлом должно быть подключено отдельной линией с реле приоритета и реле времени. Лимит в 15 кВт достаточен для комфортного пользования любыми стандартными электрическими приборами К ф для помещений площадью до 80 м2, расположенных в центральной части Российской Федерации.
с $ КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электрический котел, приоритетное управление, поквартирное теплоснабжение, Ардерия, по-
2 требление электроэнергии, электрическое отопление Ш N
. Благодарности. Автор благодарит рецензентов за замечания и по стилю изложения, и по научно-технической сути,
® способствующие более глубокому раскрытию темы научной работы.
5 с
О 5 ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Торопов А.Л. Использование электрических котлов с иерархическим управлением нагруз-
Н ^ кой для поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 11. С. 1488-1498. DOI: 10.22227/1997-
Д. • 0935.2022.11.1488-1498.
<и ф
О ё —■
о '-1=
° ££ CD >
2; С\1 5
со от
х
с
Автор, ответственный за переписку: Алексей Леонидович Торопов, toropov@aprilgroup.ru.
Using electric boilers with hierarchical load control systems to supply heat to apartments
Alexey L. Toropov
Engineering Center "April"; Moscow, Russian Federation
.E o
CL ^ ABSTRACT
££ — Introduction. Using electrical energy, transformed into thermal energy, to supply heat to premises is not a good idea due
§ c to its low efficiency. It is generally believed that the use of electricity to supply heat to multi-family buildings is considered to
n. g have a higher carbon footprint than gas-fired heating. If we consider the entire life cycle of heat supply systems, as well as
cd the production of smoke exhaust systems, air supply, gas supply, operating expenses, the comparison between the carbon
j= footprints of the above technologies is ambiguous. The use of electric boilers as sources of heat supply to apartments is
OT g limited due to the amount of energy, thus produced, which is equal to 15 kW.
— Materials and methods. The author analyzed the operation of a wall-mounted electric boiler with a hierarchical load control
^ • system. Its mode of operation was focused on meeting the top-priority physiological and social needs of apartment residents.
O jj Results. The operation of electric heat generators, having triac and relay control systems, was compared for the case of
O a limited amount of electricity supplied. The authors determined the boundaries of comfortable use of electric heat genera-
^ S tors for apartment heat supply.
S Conclusions. Electric boilers with a triac control system and a small load change step can demonstrate linear modulation
in the entire range of changes in heat load values of independent heat supply systems. The structure of electrical energy jj jj consumption by electric boilers is hierarchical. An electric boiler control system must have an independent line equipped with
U > priority and time relays. 15 kW is enough to ensure the comfortable use of any standard electrical appliances for premises
up to 80 m2 located in the central areas of the Russian Federation.
© А.Л. Торопов, 2022
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
KEYWORDS: electric boiler, priority management, apartment heat supply, Arderia, electricity consumption, electric heating
Acknowledgements. The author thanks the reviewers for their comments, made both in terms of style and technical essence, since they contribute to a more profound understanding of the topic of this research undertaking.
FOR CITATION: Toropov A.L. Using electric boilers with hierarchical load control systems to supply heat to apartments. Vest-nik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(11):1488-1498. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.11. 1488-1498 (rus.).
Corresponding author: Alexey L. Toropov, toropov@aprilgroup.ru.
ВВЕДЕНИЕ
Теплоснабжение помещений электрической энергией с непосредственной трансформацией ее в тепловую энергию не приветствуется действующей нормативной базой в связи с низким коэффициентом полезного действия (КПД) ее первичного использования. Считается, что электрическое теплоснабжение многоквартирных домов имеет более высокий углеродный след, чем при отоплении с применением газовых котлов. Электрический КПД газотурбинных электростанций составляет 30-35 % [1], а заявленный КПД конвекционных настенных котлов, используемых для поквартирного теплоснабжения, составляет по отношению к высшей теплотворной способности около 80 % [2]. Возможность применения электрической энергии для теплоснабжения квартиры в многоэтажном, многоквартирном доме с централизованным теплоснабжением имеет ряд административных проблем. Если потребление электрической энергии квартиры менее 15 кВт-ч, то не требуется разрешений на установку электрического теплового генератора, достаточно только обеспечить отдельный кабельный ввод для его питания1. Однако, если дом подключен к централизованной системе отопления, то отказаться от оплаты коммуникаций и отопления общедомовых территорий не удастся2. Поэтому установка электрического котла и автономной системы теплоснабжения в доме с централизованным теплоснабжением экономически не целесообразна. Придется платить и за электроэнергию для отопления, и за централизованное отопление. Выделенные лимиты на электроснабжение домов в дачных поселках иногда составляют до 5 кВт-ч, но эксплуатация данных помещений в зимний период времени обычно не предусматривается.
Все перечисленные выше факторы сформировали устойчивый в сознании не только потребителей, но и специалистов, категорический императив — безусловный принцип для всех систем: «отопление электричеством — самый дорогой способ теплоснаб-
жения индивидуальных помещений». При использовании настенных газовых котлов для автономного теплоснабжения помещений, независимо от районов размещения объектов, выбор делается в пользу газовой конденсационной техники [3-8]. Проблема использования конвекционных или конденсационных настенных газовых котлов для поквартирного теплоснабжения связана с тем, что один котел применяется и для отопления, и для горячего водоснабжении квартиры. Потребление тепловой энергии для обеспечения горячего проточного водоснабжения в соответствии с санитарными нормами требует 12-15 кВт-ч. А комфортный уровень потребления ГВС квартиры с двумя точками разбора требует наличия теплогенератора с тепловой мощностью не менее 24 кВт-ч. Расходы тепловой мощности для отопления маломерных квартир в многоэтажных домах, даже в экстремально холодные периоды отопительного сезона, не превышают 2,5 кВт-ч, а среднее значение составляет до 1,3 кВт-ч [9]. Таким образом, диапазон изменения тепловой мощности при использовании одного теплогенератора для отопления и горячего водоснабжения должен составлять более 20 раз. Конвекционные настенные котлы с атмосферными многофакельными горелками имеют диапазон непрерывной модуляции не более 2,5 раза [10, 11]. Конденсационные настенные котлы имеют диапазон устойчивой плавной модуляции не более 7 раз. Ни конденсационные настенные котлы, ни конвекционные котлы не способны обеспечить работу с плавной модуляцией мощности во всем диапазоне тепловой нагрузки системы теплоснабжения (отопление + ГВС) маломерной квартиры. При функционировании в режиме «отопление» их работа переходит в режим дискретной модуляции — постоянного чередования включения - выключения горелки котла со значительными выбросами продуктов сгорания, соответствующих неустановившимся режимам работы. Исследования показали, что при использовании настенных котлов при малых тепловых нагрузках происходит их переход в режим работы с постоянным включением и выключением газогорелочных узлов, с периодическим
1 О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации по вопросам совершенствования порядка технологического присоединения потребителей к электрическим сетям : Постановление Правительства РФ от 21.04.2009 № 334. URL: https://base.garant.ru/12166684/
2 По делу о проверке конституционности абзаца третьего пункта 421, пунктов 44 и 45 Правил предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов, а также формулы 3 Приложения № 2 к данным Правилам в связи с жалобой гражданки В.Н. Шестериковой : Постановление Конституционного Суда Российской Федерации от 27.04.2021 № 16-П. URL: https://rg.ru/2021/05/12/otoplenie-dok.html
< П
i н
G Г
0 со
n СО
1 2
< -ь J со
U -
r I
П о
<3 o <
oi
О n
со
CO
l\J со
0
1
CO CO о о
cn
• )
л ■ -J 00 I T
s У с о <D *
10 10 о о 10 10 10 10
сч N
N N
О О
N N
¡г ш
U 3 > (Л С И
to N
if ¡т*
О ig
о о со со
I
о со сч
(Л
ю
.£ о
CL^
с
Ю о
8 « о Е
fe ° СП ^ т- ^
£
00 J
■S
iE 35
О (П
обдувом теплообменников холодным воздухом [12]. Реальный КПД при работе котлов в режиме «такто-вания» может снизиться до 50 % и ниже. Особенно при температурах окружающего воздуха в диапазоне температур атмосферного воздуха от +10 до -5 °С, которые составляют большую часть времени отопительного периода в западном регионе РФ, а в южных районах указанная температура характерна для практически всего отопительного периода.
Если рассматривать весь процесс жизненного цикла инженерных систем теплоснабжения индивидуального домохозяйства, а также процесс производства труб газовых сетей теплоснабжения, их укладки, изготовление и монтаж труб внутренних систем ды-моудаления, воздухоснабжения, эксплуатационные затраты на их содержание и суммарные выбросы парниковых газов, связанные с этими процессами, то итоговый результат сравнения углеродного следа при использовании электрических и газовых котлов может оказаться не столь однозначным.
Наряду с безопасностью и простотой эксплуатации электрических котлов, важнейшим их преимуществом является возможность высокоэффективной работы устройств во всем диапазоне изменения производимой тепловой мощности. КПД преобразования электрической энергии в тепловую составляет 95-98 %. Управление мощностью электрических котлов с помощью симисторов — простое и эффективное. В отличие от релейного управления нагрузкой электрического теплогенератора, оно носит более плавный характер с возможностью модуляции мощности как для режима отопления помещения, так и для подготовки горячей воды.
Структура потребления электрической энергии домохозяйства в целом и квартиры в многоквартирном доме, в частности, зависит от множества факторов, в том числе временных, климатических, территориальных, исторических, социальных, возрастных, политических. На суммарное потребление энергии влияет также численный состав и пол членов семьи, их занятость в работе и общественной жизни, привычки, образ жизни. Основные приборы потребления электрической энергии — это телевизор, холодильник, освещение, электрические приборы для гигиены тела и среды обитания, техника для приготовления пищи, устройства коммуникаций, компьютеры. В России в 2014 г. на сто домохозяйств приходилось: 257 мобильных телефона, 183 телевизора, 128 холодильников и морозильников, 103 стиральные машины, 113 персональных компьютеров, 96 электропылесосов, 20 кондиционеров, 8 посудомоечных машин [13]. В настоящий момент указанные показатели значительно выше. На рис. 1 представлена усредненная структура потребления электроэнергии в бытовых целях без учета затрат на подготовку горячей воды и отопления.
Абсолютные значения суммарного потребления и составных частей в месяц исследованы в работах [14, 15] и составляют в среднем около 300 кВт-ч в месяц, без учета затрат на отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование помещений, но с затратами на приготовление пищи при использовании электрической плиты. Более 65 % всего потребления энергии населения приходится на цели централизованного и децентрализованного отопления, 13 % на нужды горячего водоснабжения3. Соответственно, усредненное суммарное месячное
и Освещение на светодиодных лампах / LED lighting
а Холодильник / Refrigerator
К Телевизор / TV
ш Стиральная машина / Washing machine
в Микроволновая печь / Microwave
■ Электрочайник / Electric kettle
■ Вытяжка / Kitchen hood
■ Утюг / Iron
■ Пылесос / Vacuum cleaner s Компьютер / Computer
Рис. 1. Структура усредненного потребления электрической энергии в бытовых целях без затрат на отопление и подготовку горячей воды
Fig. 1. The breakdown of average domestic consumption of electrical energy, net of the cost of heating and hot water preparation
3 Государственный доклад «О состоянии энергосбережения и повышении энергетической эффективности в Российской Федерации» // Министерство экономического развития Российской Федерации. М., 2020. URL: https://www.economy. gov.ru/material/file/c3901dba442f8e361d68bc019d7ee83f/Energyefficiency2020.pdf
потребление электрической энергии для домохозяйства составляет 1350 кВт-ч.
Перспективы в изменениях потребления электроэнергии домохозяйствами будут зависеть от градостроительной политики, доходов населения, стоимости электроэнергии, развития применения бытовой техники, тарифов потребления электроэнергии для населения. В России обеспеченность жилой площадью составляет около 25 м2/чел., что ниже, чем в европейских развитых странах, Канаде и США в 2-2,5 раза4 [16], оснащенность электрическими приборами ниже, чем в перечисленных странах. Все это предполагает, что при развитии ВВП России душевое энергопотребление в домохозяйствах будет расти с ежегодными темпами 1,3 % [17]. Прогноз тенденций энергопотребления домохозяйств в мире, выполненный Энергетическим информационным агентством США (Е1А),
N кВт/kW
с перспективой до 2040 г. предполагает, что на сектор домохозяйств будет приходиться 14 % общемирового потребления энергии5.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Характер потребления электрической энергии носит слабо предсказуемый характер, который имеет две ярко выраженные зоны — ночного и дневного потребления. Вид ситуационного графика потребления электрической энергии условной типовой квартиры площадью 46 м2 представлен на рис. 2. В нижней части рисунка отдельно выделены графики приоритетных нагрузок. Это затраты энергии на освещение, средства коммуникации, телевизор, холодильник и бытовое оборудование приоритетного использования. Как видно из рисунка, максимальное суммарное значение всех приоритетных электриче-
t, ч / hour
t, ч / hour
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Рис. 2. Ситуационные графики потребления электрической энергии квартиры 46 м2, оборудованной системой электрического теплоснабжения в зимний период времени: 1 — суммарное потребление энергии приоритетными приборами; 2 — затраты энергии плитой приготовления пищи; 3 — зона изменения потребления энергии для отопления; 4 — энергия для подогрева бойлера косвенного нагрева; 5 — график суммарного потребления электрической энергии Fig. 2. Situation-centered graphs of electricity consumption of an apartment of 46 m2, equipped with an electric heat supply system in winter: 1 — total energy consumption by priority appliances; 2 — energy consumption by the cooker; 3 — a range of changes in energy consumption for heating purposes; 4 — energy needed to heat an indirect heating boiler; 5 — the diagram of the total consumption of electrical energy
< П
is
G Г
S 2
0 CO n CO
1 < < -b J to
U -
r 1
n о
<3 o <
o7 n
CO CO
l\J CO
0
1
CD CD О О
4 Energy Use Data Handbook 1990 to 2011 Canada. URL: tatistics/handbook2011/handbook20n.pdf
5 International Energy Outlook 2016. URL: http://www.eia.gov/forecasts/ieo/
cn
• ) n
л ■ -J 00 I T
s У с о <D Ж
10 10 О о 10 10 10 10
0
сч N
N N
О О
N N
¡г ш
U 3 > (Л С И
m N
if ¡т*
О ё
о о со со
I
о со сч
ОТ
от
.£ о
CL^
с
Ю о
8 « о Е
fe ° СП ^ т- ^
£
от J
«г?
■S
Г
ских приборов, за исключением электрической плиты, по мощности не превышает 3 кВт. В верхней части показаны графики потребления электроэнергии при подготовке горячей воды и использовании электрической плиты. Затраты электроэнергии на отопление взяты для условий г. Санкт Петербурга, для подготовки ГВС использован бойлер косвенного нагрева объемом 150 л с максимальной мощностью работы электрокотла в режиме ГВС — 12 кВт. Электроплита — 4 конфорки по 1,5-2 кВт каждая.
Из графиков видно, что превышение выделяемого лимита потребления энергии в 15 кВт-ч произошло один раз в течение суток. Продолжительность суммарного периода превышения нагрузки в ситуационном графике составила менее 20 мин. На рисунках представлен качественный характер изменения нагрузок.
Потребление электрической энергии для бытовых нужд домохозяйства носит иерархический характер, который базируется на двух факторах: потребностях людей и тепловой инерционности технических устройств.
Потребности людей, с точки зрения использования электрических приборов (потребления энергии), можно разделить на безотлагательные — физиологические, наиболее важными из которых в рассматриваемой теме являются освещение, потребности в безопасности и защищенности, необходимости передачи информации. Их нельзя откладывать, их надо реализовывать безотлагательно. К потребностям следующего уровня можно отнести те, в которых сдвиг по времени реализации может быть в несколько десятков минут. Например, освещение в помещении, устройства передачи информации должны работать всегда или без задержки. Без них, в настоящий момент развития общества, существование невозможно. Вымыть посуду или приготовить чай, погладить белье можно и через некоторое время. Эти потребности важны, но сдвиг времени их реализации возможен. Инерционность — это способность сопротивляться чему-либо. Соблюдение необходимого температурного режима в помещении является важнейшей потребностью человека, но стены помещения имеют большую массу, и изменение температуры внутри помещения происходит медленно. При выключении отопления на некоторое время, измеряемое несколькими десятками минут, температура внутри помещения не изменится. Отопление можно отнести к нагрузкам с низшим приоритетом. Но поддержание температуры в помещении относится к первостепенным физиологическим потребностям, и при определенном уровне температуры в помещении происходит изменение структуры системы ценностей. Если в помещении холодно, то человек готов
не пользоваться, к примеру, стиральной машиной, а использовать энергию для отопления. Соответственно, возникает ситуация с изменением приоритетов пользования энергии и структуру управления электрической нагрузкой можно охарактеризовать как многоуровневую, иерархическую с плавающими диапазонными приоритетами.
Как было указано во введении, потребление электроэнергии в квартире не должно превышать 15 кВт-ч. Одновременное пользование всеми электрическими приборами в случае применения автономной системы теплоснабжения с электрическим котлом может превысить установленный лимит, в этом случае произойдет отключение всех приборов.
Для исключения этого необходимо выставить приоритеты потребления энергии, и тогда можно отключать питание части электрических приборов, если они не влияют на реализацию потребностей человека или обладают большой тепловой инерционностью.
В первую очередь, к приоритетным линиям питания электрических приборов в индивидуальном доме или квартире можно отнести линии питания освещения и внутренних электрических розеток верхнего уровня приоритета, по которому обеспечивается 100%-ная гарантия постоянного энергопитания. Для питания таких приборов должна быть выделена отдельная линия снабжения электрическим током. Вторым приоритетом является линия питания бытовых приборов, по которым допускается сдвиг временного использования. Данный уровень может быть разбит на два по индивидуальному приоритету пользователей. Низшими приоритетами обладают системы подготовки горячей воды и отопления. В большинстве случаев применения можно рассмотреть четырехуровневую систему приоритетного пользования электроприборами и электрической системой теплоснабжения. Однако в определенных ситуациях, при заданном лимите выделенной энергии для домохозяйства, нижние уровни являются условными (плавающими). Как правило, изменение уровней иерархии носит кратковременный характер и связано с экстремальными ситуациями, например со значительным увеличением обитателей домохозяйства или температуры окружающей среды. На рис. 3 представлена пирамида приоритетов в снабжении электричеством приборов домохозяйства.
В таблице приведены значения диапазонов потребляемой мощности бытовых электрических прибо-ров6. По затратам электрической энергии для системы отопления расчет теплопотерь двухкомнатной квартиры площадью 46 м2 в г. Санкт-Петербурге, произведенный в работе [9] при температуре окружающего
6 Сколько электроэнергии потребляют бытовые приборы — таблица и рекомендации по экономии. URL: https://ledsshop. ru/potreblenie-elektroenergii-bytovymi-priborami/
Освещение, коммуникации, безопасность Lighting, communications, security
Приоритетные бытовые приборы Priority household appliances
Бытовые приборы, допускающие сдвиг времени использования Household appliances allowing a time shift in use
Приборы отопления и ГВС Heating and hot water supply appliances
Рис. 3. Пирамида приоритетов в снабжении электричеством приборов домохозяйства Fig. 3. A pyramid of priorities in supplying electricity to household appliances
воздуха минус 25 °С, показал, что максимальные те-плопотери не превысят 2,5 кВт-ч, а средние за отопительный сезон теплопотери не превысят 1,3 кВт-ч. Для подготовки горячей воды предлагается использовать бойлер косвенного нагрева объемом 150 л с подключением к электрическому котлу через трехходовой кран. Для подготовки горячей воды в объеме 250 л/ч можно использовать электрический котел с максимальной мощностью 12 кВт-ч [18]. Данный объем горячей воды является комфортным для пользования автономной системой теплоснабжения индивидуального дома или квартиры с проживанием до 4 человек.
Среднесуточное энергопотребление бытовых приборов Average daily consumption of household appliances
Вопрос снижения энергетических затрат на отопление является важной задачей как с экономической точки зрения, так и с экологической.
В работах [19-21] представлены данные о влиянии разных факторов на повышение энергоэффективности зданий и снижение выбросов парниковых газов при использовании теплогенераторов на основе традиционных (углеводородных) видов топлива. Исследования проведены для Великобритании, Норвегии и Германии. Согласно представленным материалам, наиболее эффективной мерой по повышению энергоэффективности зданий с автономной
Потребитель Consumer Мощность, Вт Power, W Количество, шт. Quantity, pcs Время работы за сутки Daily operating hours Энергопотребление за сутки, Вт-ч Daily energy consumption, Wh
Микроволновая печь Microwave 1500 1 30 мин / min 750
Телевизор TV 60 1 3 ч / h 180
Электрочайник Electric kettle 1500 1 1 ч / h 1500
Холодильник Refrigerator 100 1 24 ч / h 2400
Утюг Iron 1500 1 30 мин / min 750
Компьютер Computer 350 1 4 ч / h 1400
Пылесос Vacuum cleaner 1500 1 20 мин / min 500
Обычная лампочка Light bulb 95 5 3 ч / h 1425
Энергосберегающая лампочка Energy saving light bulb 45 5 3 ч / h 675
Стиральная машина Washing machine 1500 1 1,5 ч /h 2250
< п
® е
<л t з
3 О M
с
о
со
« -ь J CD
U -
r I n °
«s
о «
o7 О n
со со
м со
0
1
СП СП о о
cn
cd cd
l с
3
ф
-J 00 I т
s У с о Ф *
Ы 10
о о
10 10
10 10
сч N
N N
О О
N N
К ш
U 3
> (Л
С И
m N
if <u <и
О ё
о о со со
I
о со сч
(Л
ю
системой теплоснабжения является повышение теплоизоляции стен, снижающей годовое потребление газа на 10,5 % и годовое потребление электроэнергии на 8 %. Данные заключения можно распространить и на электрическое теплоснабжение.
В связи с тем, что суммарное потребление электрической энергии складывается из потребления энергии всеми одновременно включенными электрическими приборами, превышение лимита (15 кВт) произойдет практически всегда при включении подогрева ГВС, электрической плиты более двух конфорок и любого электрического прибора или освещения. Использование бойлеров косвенного нагрева для подготовки горячей воды с подключением электрического котла мощностью менее 12 кВт приведет к потере комфорта при потреблении горячей воды. Для оценки понятия необходимой мощности электрокотла для комфортного потребления горячей воды домохозяйством предлагается рассматривать работу бойлера в режиме длительной мощности, в этом случае объем бака не играет роли7. При перепаде температур 30 градусов и избыточной площади внутреннего теплообменника мощность в 12 кВт обеспечивает подготовку около 5,5 л/мин. Согласно СНиП 2.04.01-85*, норма расхода для душа составляет 5,4 л/мин. Рассматриваем данный параметр как минимальное требование для комфортного потребления горячей воды. Такое потребление горячей воды обеспечивается котлом с мощностью не менее 12 кВт. Характер графика суммарного потребления электрической энергии в быту непредсказуем. По весовой доли основные компоненты: нагрев горячей воды и приготовление пищи. Исходя из нормы 105 л горячей воды на человека в сутки, при 4 членах семьи время на подготовку указанного количества при мощности котла в 12 кВт нужно около 1,3 ч. Учитывая, что душ обычно принимают утром или вечером, совпадения с одновременным включением плиты на все конфорки — минимальны, но вероятность такого совпадения с одновременным использованием других электрических приборов есть. Основываясь на ситуационных графиках потребления электрической энергии, представленных на рис. 2, наличия приоритета подготовки горячей воды перед отоплением, заложен-
ного в алгоритмах работы электрических котлов, резервного объема нагретой воды в бойлере косвенного нагрева, промежутков между пользованием горячей воды жильцами квартиры или индивидуального дома, можно заявить, что лимит в 15 кВт в час на выделенную электрическую энергию домохозяйства с отапливаемой площадью до 80 м достаточен.
Комфортность потребления электрической энергии обеспечивается установкой дополнительного реле приоритета линии питания электрического котла8. При установке данного реле вводится трехуровневая иерархия работы электрических приборов домохозяйства. Все приборы потребления относятся к приоритетному уровню, котел подключен через реле с низшим приоритетом. Алгоритм работы электрического котла функционирует в приоритете ГВС по отношению к режиму отопления. Реле приоритета — устройство электромеханического типа, надежность которого зависит от количества срабатываний. Для исключения постоянного срабатывания реле приоритета в цепь нагрузки необходимо добавить реле времени9. Установленная продолжительность периода работы реле времени определяется характером колебания потребления электрической энергии в помещении. Целесообразно рассматривать нагрузки периодического включения мощностью более 1 кВт. Это могут быть конфорки плиты приготовления пищи, утюг, чайник, стиральная машина. Интервал проверки одновременного использования данных устройств согласно графиков их работы не должен быть менее трех-пяти минут. Это и должно быть принято как минимальный интервал работы реле времени системы приоритетного управления системой электропитания домохозяйства.
В настоящее время на российском рынке присутствует много компаний, в линейке которых есть полноценные электрические котлы — микрокотельные, оснащенные циркуляционным насосом и расширительным баком10, 11 12, 13, 14, 15, большая часть из них обладает функцией работы с внешним трехходовым краном для работы с бойлером косвенного нагрева подготовки ГВС. С точки зрения примени-
.Е о CL О
^ с Ю о
s «
о Е с5 о
СП ^ т- ^
s
4L J
* А
г
О (П
7 Рекомендации «Баки косвенного нагрева Buderas Logalux». URL: https://www.buderus.com/ru/media/country-pool/pro-fessional/dokumentatsiya/logalux/ .pdf
8 АВВ. Приборы управления нагрузкой. URL: https://ep.ru/product/katalogs/ABB/03_System_pro_M_09.pdf
9 Реле времени. Назначение и принцип работы. URL: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-rele-vremeni-i-kak-ono-rabotaet.html
10 Руководство по эксплуатации Vaillant eloBLOCK 0020264793_01. URL: https://thermogaz.ru/upload/medialibrary/aea/ rdg88xxgirslhcrtiekwdd0y4e729a2l.pdf
11 Руководство по эксплуатации PROTHERM RAY 12 KE. URL: http://thermomir.ru/files/it/840_1002.pdf
12 Котлы электрические отопительные ZOTA «Lux»: паспорт и инструкция по эксплуатации. URL: tatic/uploaded/docu-mentation/entries/files/Z0TA_LUX_3-48_30_08_2021.pdf
13 Электрический котел мгновенного нагрева. Руководство пользователя. NAVIEN EQB 12 HW. URL: https://www.navien. ru/upload/docs/c1/6a/c16a5320fa475530d9583c34fd356ef5/23b29c287e3dd6de4b786eba9958c343/rukovodstvo-polzovatelya-eqb-y2020-pdf.pdf
14 Руководство по эксплуатации BAXI Ampera 12. URL: https://ampera.baxi.ru/upload/Ampera_Инструкция.pdf
15 Руководство по эксплуатации THERMEX TESLA 12. URL: https://thermex-boiler.ru/manuals/rukovodstvo_kotel_tesla.pdf
мости к работе в режиме приоритетного управления важны два фактора. Первый — это тип коммутационного устройства управления нагрузкой. Современные системы управления базируются на электронных (полупроводниковых) элементах — симисторах. Они более компактны, надежны по сравнению с устаревшими электромеханическими (релейными). Второй важный параметр — шаг регулирования нагрузкой. В системах с релейным регулированием возможно только включение и выключение одного из ТЭНов. Обычно в электрических котлах бытового назначения применяют нагревательный блок из 3-6 ТЭНов, каждый из которых имеет мощность 2,0-4 кВт. Соответственно, в системах с релейным управлением нагрузкой шаг регулирования кратен мощности ТЭНа. В системах с переменным током и симисторной системой коммутации нагрузки возможно включение мощности каждого ТЭНа на 1-0,5-0,25... доли мощности. То есть шаг регулирования может быть частью от мощности каждого ТЭНа.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 4 показан вариант нагрузки электрической сети домохозяйства с ограничением потребляемой электрической мощности 15 КВт и суммарной приоритетной нагрузкой 6 кВт. Необходимая тепловая мощность на отопление 3 кВт. Представлен график изменения мощности котла АРДЕРИЯ Е1216. В котле установлено 6 ТЭНов по 2 кВт с шагом изменения нагрузки 1 кВт. Сравнение происходит
N, кВт I kW
с котлом суммарной мощности 12 кВт с ТЭНами по 2 кВт и релейной схемой управления. На обоих котлах установлен алгоритм плавного запуска с интервалом шага 10 с. Задержка реле времени на повторное включение неприоритетной нагрузки составляет 3 мин. Из графиков видно, что при установке реле приоритета на линию питания электрокотла в варианте с релейным переключением ТЭНов по 2 кВт каждый нагрев на «отопление» практически не происходит. Реле приоритета отключает котел при каждом повторном пуске при выходе котла на мощность 8 кВт через каждые 3 мин. Поскольку нагрев длится только 40 секунд с последующей паузой 3 мин, теплогенератор не успевает передать тепловую энергию отопительным приборам. В варианте котла с симисторным управлением и шагом изменения нагрузки 1 кВт нагрев происходит следующим образом. Объем теплоносителя в системе поквартирного отопления мал. Рост нагрузки происходит более медленно и в течение минуты нагретый котлом теплоноситель возвращается в котел, поскольку радиаторы отопления обладают тепловой инерцией и не успевают передать энергию помещению. Алгоритм работы котла имеет обратную связь в контроллере управления по разнице температур прямой и обратной магистрали. При уменьшении разницы температур происходит снижение мощности нагрева. В течение нескольких минут (зависит от инерционности приборов отопления и размера отапливаемого помещения) режим работы нагрева котла выходит на установившийся, равный тепло-
15
10
0
5
1
/ -Г
t, с I s
З0
б0
90
120
150
180
210
240
270
Рис. 4. Графики нагрузки электрической сети при лимите ограничения 15 кВт-ч и приоритетной нагрузке 6 кВт-ч при работе электрического котла в режиме «отопление»: 1 — котел с релейным управлением нагрузкой; 2 — котел с сими-сторным управлением нагрузкой
Fig. 4. Electrical network load schedules for the limit of 15 kWh and the priority load of 6 kWh if the electric boiler is operating in the "heating" mode: 1 — a boiler with a relay load control system; 2 — a boiler with a triac load control system
< П
8 8 iiï
G Г
S 2
o n
I «
с -ь J CD
u i
r i n
«s o «
n
со со
м со
0
1
СП СП о о
cn
• )
f7
Ф „
f
-J 00 I т
s у с о (D *
Ы 10
о о
10 10
10 10
' Руководство но эксплуатации ARDERIA E12. URL: https:IIteplogidroinvest.ru/downloadsIpassportsIetcIpasport_arderia_E.pdf
2
сч N
N N
О О
N N
¡г ш
U 3 > (Л С И
to N
if ¡т*
потерям помещения. Превышение лимита в 15 кВт не происходит.
При работе электрического котла в режиме подготовки горячей воды вероятность его отключения по превышению общего лимита в 15 кВт большая. Установленный бойлер косвенного нагрева позволит компенсировать отсутствие нагрева в течение 20 мин. При более длительном времени дефицит горячей воды вызывает дискомфорт. Для исключения таких ситуаций из перечня составных нагрузок красного уровня, показанного на рис. 3, выбирается нагрузка питания всех конфорок плиты приготовления пищи. В приоритетном потреблении оставляется только две конфорки, а две временно, на момент экстремального сочетания нагрузок, переводятся в самый низший уровень потребления. Система теплоснабжения получает временный дополнительный лимит нагрузки. Для обеспечения такой иерархической четырехуровневой системы управления с переменными низшими ступенями приоритета необходимо выполнить подключение плиты приготовления пищи или других электрических приборов данного уровня иерархии потребления электрической энергии через беспроводное реле дистанционного управления по радиоканалу или Wi-Fi и реле времени.
£ £ ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Электрические котлы с симисторным управлением и малым шагом изменения нагрузки обладают возможностью линейной модуляции мощности во всем диапазоне изменения тепловых нагрузок
индивидуальных автономных систем отопления и горячего водоснабжения.
Индивидуальные дома и квартиры многоэтажных домов с отапливаемой площадью до 80 м могут эффективно использовать электрические котлы в качестве теплогенераторов для автономных систем теплоснабжения. В качестве оборудования для подготовки ГВС целесообразно использовать бойлеры косвенного нагрева объемом 150 л с управлением трехходовым краном с приоритетом по горячей воде.
Мощность электрического котла определяется возможностью комфортного объема подготовки горячей воды, составляет 12 кВт.
Структура потребления электрической энергии домохозяйства с отапливаемой площадью до 80 м2 с использованием электрических котлов для автономного теплоснабжения носит четырехуровневый иерархический характер с ограничением приоритета по нижним ступеням. Приоритетное потребление касается всех приборов бытового потребления. Управление электрическим котлом должно быть подключено отдельной линией с реле приоритета. Алгоритм управления работой электрического котла должен иметь внутренний приоритет в подготовке ГВС.
Выделенный лимит в 15 кВт-ч вполне достаточен для комфортного пользования любыми существующими в настоящий момент электрическими приборами, а также автономной системой теплоснабжения для помещений площадью до 80 м2, расположенных в центральной части Российской Федерации, и до 100 м2 в южных и восточных ее районах РФ или квартир в многоэтажных многоквартирных домах.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
о g
о о со со
о со гм ~z. ю ю
.Е о
• с
ю о
S «
о Е
СП ^
t- ^
£
4L J
> А
г
Z'B
О (П
1. Стертюков К.Г., Стародубцева О.А. Проблемы внедрения новых технологий и технических средств с целью увеличения КПД в энергетической отрасли // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2018. № 25. C. 58-73. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=34861788
2. Хаванов П.А., Харламова Н.А. Оценка теплотехнической эффективности применения настенных двухконтурных котлов в поквартирных системах теплоснабжения // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : мат. XVIII Междунар. науч. конф. Москва, 25-29 сентября 2020 г. Волгоград : Изд-во ВолГМУ, 2020. С. 198-203.
3. Табунщиков Ю.А. Конденсационные котлы в автономном теплоснабжении // АВОК. 2016. № 4. C. 26-31. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles. php?nid=6406
4. Хаванов ПА., Чуленев А.С. Климатические параметры и эффективность конденсационных котлов //
АВОК. 2016. № 3. C. 56-64. URL: https://www.abok.ru/ for_spec/articles.php?nid=6375
5. Наумов Н.Р., Марьяндышев ПА., Попов А.Н., Любое В.К. Исследование работы газовых котлов малой мощности // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. № 4 (79). С. 27-33. DOI: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4
6. Хаванов П.А., Чуленев А.С. Результаты испытаний конденсационного котла при различных режимах эксплуатации // Научное обозрение. 2015. № 10. C. 45-49.
7. Andric I., Pina A., Ferrao P., Lacariere B., Le Corre O. On the performance of district heating systems in urban environment: an emergy approach // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 142 (P1). Pp. 109-120. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.05.124
8. Vignali G. Environmental assessment of domestic boilers: A comparison of condensing and traditional technology using life cycle assessment methodology // Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 142. Pp. 2493-2508. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.11.025
9. Пилипенко Н.В. Тепловые потери и энергетическая эффективность зданий и сооружений : учебное пособие. СПб. : Университет ИТМО, 2016. 54 с.
10. Хаванов П.А. Атмосферные газовые горелки автономных генераторов // АВОК. 2003. № 1. C. 54. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles. php?nid=1914
11. Торопов А.Л. Исследование работы газовых клапанов конвекционных котлов малой мощности // АВОК. 2020. № 3. С. 58-61. URL: https://www.abok.ru/ for_spec/articles.php?nid=7505
12. Торопов А.Л. Вопросы эффективности работы конвекционных настенных газовых котлов при по-квартирном теплоснабжении // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2021. № 6 (234). С. 42-45. URL: https://www.c-o-k.ru/articles/voprosy-effektivnos-ti-raboty-konvekcionnyh-nastennyh-gazovyh-kotlov-pri-pokvartirnom-teplosnabzhenii
13. Гальперова Е.В. Анализ долгосрочных тенденций потребления энергоресурсов домохозяйства-ми // Проблемы прогнозирования. 2019. № 2. C. 51-62. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=39554862
14. Егоров А.О., Люханов Е.А., Поспелова М.В., Черепанова М.Д. Исследование режимов работы электроприемников бытовых потребителей // Труды первой научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института. Екатеринбург, 16-20 мая 2016 г. Екатеринбург : УрФУ, 2016. С. 146-149.
15. Антонов Н.В. Электросбережение в бытовом секторе: возможности применения зарубежного опыта в России // Электрика. 2010. № 7. С. 3-9. URL: http://www.kudrinbi.ru/public/30042/index.htm#_ftn1
16. Lapillonne B., Pollier K., Samci N. Energy efficiency trends for households in the EU. ODYSSEE MURE (May 2015). URL: http://www.odyssee-mure.eu/publications/efpciency-by-sector/household/household-eu.pdf
17. Прогноз развития энергетики мира и России 2016 / под ред. А.А. Макарова, Л.М. Григорьева, Т.А. Митровой. М. : ИНЭИ РАН — АЦ при Правительстве РФ, 2016. 200 с.
18. Расчет и подбор баков — водонагревателей. Документация для проектирования. BUDERUS Издание 07/2002 (A4.06.1). 164 с. URL: https://www.c-o-k.ru/ library/instructions/buderus/boylery-kosvennogo-nagre-va/1469/15283.pdf
19. Adan H., Fuerst F. Do energy efficiency measures really reduce household energy consumption? A dif-ference-in-difference analysis // Energy Efficiency. 2016. Vol. 9. Pp. 1207-1219. DOI: 10.1007/s12053-015-9418-3
20. Rosenow J., Galvin R. Evaluating the evaluations: Evidence from energy efficiency programmes in Germany and the UK // Energy and Buildings. 2013. Vol. 62. Pp. 450-458. DOI: 10.1016/J.ENBUILD.2013.03.021
21. Nord N., Fj&rli Sj0thun S. Success factors of energy efficiency measures in buildings in Norway // Energy and Buildings. 2014. Vol. 76. Pp. 476-487. DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.03.010
Поступила в редакцию 22 мая 2022 г. Принята в доработанном виде 17 октября 2022 г. Одобрена для публикации 19 октября 2022 г.
Об авторе: Алексей Леонидович Торопов — кандидат технических наук, генеральный директор — главный конструктор; Инженерный центр «Апрель»; 105122, г. Москва, Щелковское шоссе, д. 13; РИНЦ ГО: 1030472, ORCID: 0000-0002-7457-6948; Toropov@aprilgroup.ru.
< П
8 8 i н
g Г
0 со
n С/3
1 2
< -ь J со U I
r I
n о
<3 o <
oi n
REFERENCES
CO CO
1. Stertyukov K.G., Starodubtseva O.A. Problems of introduction of new technologies and technical tools to increase efficiency in the energy sector. PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems. 2018; 25:58-73. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=34861788 (rus.).
2. Havanov P.A., Harlamova N.A. Evaluation of the thermal efficiency of the use of wall-mounted double-circuit boilers in apartment heating systems. Quality of Indoor Air and Environment: materials of the XVIII International Scientific Conference. Moscow, September 25-29, 2020. Volgograd, VolGMU Publishing House, 2020; 198-203. (rus.).
3. Tabunshchikov Yu.A. Condensation boilers in autonomous heat supply. ABOK. 2016; 4:26-31.
URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid= 6406 (rus.).
4. Havanov P.A., Chulenev A.S. Climatic parameters and efficiency of condensation boilers. AVOK. 2016; 3:56-64. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles. php?nid=6375 (rus.).
5. Naumov N.R., Maryandyshev P.A., Popov A.N., Lyubov V.K. Study on gas boilers of low capacities. Cherepovets State University Bulletin. 2017; 4(79): 27-33. DOI: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4 (rus.).
6. Havanov P.A., Chulenev A.S. Results of condensing boiler tests under different operational regimes. Scientific review. 2015; 10:45-49. (rus.).
7. Andric I., Pina A., Ferrao P., Lacariere B., Le Corre O. On the performance of district heating systems in urban environment: an emergy approach. Jour-
w
CO
о ■
co co о о
cn
• )
л ■ -J 00 I T
s У с о <D *
10 10 О о 10 10 10 10
N N N N
o o
N N
* o
U 3 > in E M
CO N
i! CD <u
O ig
o o CD cd
I
o
CO CN
nal of Cleaner Production. 2016; 142(P1):109-120. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.05.124
8. Vignali G. Environmental assessment of domestic boilers: A comparison of condensing and traditional technology using life cycle assessment methodology. Journal of Cleaner Production. 2017; 142:2493-2508. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.11.025
9. Pilipenko N.V. Heat losses and energy efficiency of buildings and structures : a tutorial. St. Petersburg, ITMO University, 2016; 54. (rus.).
10. Havanov P.A. Atmospheric gas burners of autonomous heat generators. AVOK. 2003; 1:54. URL: https:// www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1914 (rus.).
11. Toropov A.L. Analysis of operation of gas valves of low-power convection boilers. AVOK. 2020; 3:58-61. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles. php?nid=7505 (rus.).
12. Toropov A.L. Issues of operating efficiency of convection wall gas boilers with apartment heat supply. Plumbing, Heating, Air Conditioning. 2021; 6(234):42-45. URL: https://www.c-o-k.ru/articles/vo-prosy-effektivnosti-raboty-konvekcionnyh-nastennyh-gazovyh-kotlov-pri-pokvartirnom-teplosnabzhenii (rus.).
13. Galperova E.V. Long-term analysis of energy consumption by household. Studies on Russian Economic Development. 2019; 30(2):146-153. DOI: 10.1134/ S1075700719020060 URL:https://www.elibrary.ru/item. asp?id=38999842 (rus.).
14. Egorov A.O., Lyukhanov E.A., Pospelo-va M.V., Cherepanova M.D. Study of operating modes of electrical receivers of domestic consumers. Proceedings of the first scientific and technical conference of young scientists of the Ural Energy Institute. Ekate-
Received May 22, 2022.
Adopted in revised form on October 17, 2022.
Approved for publication on October 19, 2022.
Bionotes: Alexey L. Toropov — Candidate of Technical Sciences, General Director — Chief Designer, Engineering Center "April"; 13 Schelkovskoe shosse, Moscow, 105122, Russian Federation; ID RISC: 1030472, ORCID: 0000-0002-7457-6948; Toropov@aprilgroup.ru.
rinburg, May 16-20, 2016. Ekaterinburg, UrFU, 2016; 146-149. (rus.).
15. Antonov N.V. Electricity saving in the domestic sector: the possibility of applying foreign experience in Russia. Elektrika. 2010; 7:3-9. URL: http://www.kudrinbi.ru/public/30042/index.htm#_ ftn1 (rus.).
16. Lapillonne B., Pollier K., Samci N. Energy efficiency trends for households in the EU. ODYSSEE MURE (May 2015). URL: http://www.odyssee-mure.eu/ publications/efpciency-by-sector/household/household-eu.pdf
17. Forecast for the development of energy in the world and Russia 2016. Makarova A.A., Grigorie-va L.M., Mitrova T.A. (ed.). Moscow, ERI RAN — AC under the Government of the Russian Federation, 2016; 200. (rus.).
18. Calculation and selection of tanks — water heaters. Documentation for design. BUDERUS Edition 07/2002 (A4.06.1); 164. URL: https://www.c-o-k.ru/ library/instructions/buderus/boylery-kosvennogo-nagre-va/1469/15283.pdf (rus.).
19. Adan H., Fuerst F. Do energy efficiency measures really reduce household energy consumption? A difference-in-difference analysis. Energy Efficiency. 2016; 9:1207-1219. DOI: 10.1007/s12053-015-9418-3
20. Rosenow J., Galvin R. Evaluating the evaluations: Evidence from energy efficiency programmes in Germany and the UK. Energy and Buildings. 2013; 62:450-458. DOI: 10.1016/J.ENBUILD.2013.03.021
21. Nord N., Fjsrli Sj0thun S. Success factors of energy efficiency measures in buildings in Norway. Energy and Buildings. 2014; 76:476-487. DOI: 10.1016/ j.enbuild.2014.03.010
iO
.E o cl"
• c
LT> o
s «
o E
CD ^
T- ^
■s
r
