Электрическое отопление — это процесс, при котором электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепловую . Общие области применения включают отопление помещений , приготовление пищи , нагрев воды и промышленные процессы. Электронагреватель – это электрическое устройство , преобразующее электрический ток в тепло. [1] Нагревательный элемент внутри каждого электронагревателя представляет собой электрический резистор и работает по принципу джоулева нагрева : электрический ток, проходящий через резистор, преобразует эту электрическую энергию в тепловую. В большинстве современных электронагревательных устройств в качестве активного элемента используется нихромовая проволока; В нагревательном элементе, изображенном справа, используется нихромовая проволока, поддерживаемая керамическими изоляторами.
Альтернативно, тепловой насос может достичь эффективности отопления около 150–600% или коэффициента полезного действия COP 1,5–6,0 , поскольку он использует электроэнергию только для передачи существующей тепловой энергии. В тепловом насосе используется электродвигатель для управления обратным циклом охлаждения , который забирает тепловую энергию из внешнего источника, такого как земля или наружный воздух (или внутренняя часть холодильника), и направляет это тепло в обогреваемое пространство (в случае холодильник, кухня). Это позволяет гораздо лучше использовать электрическую энергию, чем прямое электрическое отопление, но требует гораздо более дорогого оборудования, а также водопровода. Некоторые системы отопления могут работать в обратном направлении для кондиционирования воздуха , так что внутреннее пространство охлаждается, а еще более горячий воздух или вода выбрасываются наружу или в землю.
Отопление помещений используется для обогрева внутренних помещений зданий. Обогреватели полезны в местах, где обработка воздуха затруднена, например, в лабораториях. Используются несколько методов электрического обогрева помещений.
В электрическом инфракрасном излучающем отоплении используются нагревательные элементы, которые достигают высокой температуры. Элемент обычно упаковывается внутри стеклянной оболочки, напоминающей лампочку , и имеет отражатель для направления выходной энергии от корпуса обогревателя. Элемент излучает инфракрасное излучение , которое распространяется по воздуху или пространству, пока не достигнет поглощающей поверхности, где оно частично преобразуется в тепло и частично отражается. Это тепло непосредственно согревает людей и предметы в комнате, а не воздух. Этот тип обогревателя особенно полезен в помещениях, через которые проходит ненагретый воздух. Они также идеально подходят для подвалов и гаражей, где требуется точечное отопление. В целом, они являются отличным выбором для обогрева конкретных задач.
Лучистые обогреватели работают бесшумно и представляют наибольшую потенциальную опасность возгорания близлежащей мебели из-за направленной интенсивности их мощности и отсутствия защиты от перегрева. В Соединенном Королевстве эти приборы иногда называют электрическими каминами, поскольку изначально они использовались для замены открытого огня.
Активная среда нагревателя, изображенного в этом разделе, представляет собой катушку из нихромовой резистивной проволоки внутри трубки из плавленого кварца , открытой на концах в атмосферу, хотя существуют модели, в которых плавленый кварц запаян на концах, а резистивный сплав не нихромовый. .
В конвекционном обогревателе нагревательный элемент нагревает контактирующий с ним воздух за счет теплопроводности . Горячий воздух менее плотный , чем холодный, поэтому за счет плавучести он поднимается , позволяя большему количеству холодного воздуха занять его место. При этом создается конвекционный поток горячего воздуха, который поднимается от обогревателя, нагревает окружающее пространство, охлаждает, а затем повторяет цикл. Эти обогреватели иногда заполняются маслом или терможидкостью. Они идеально подходят для обогрева закрытого помещения. Они работают бесшумно и имеют меньший риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью по сравнению с лучистыми электрическими обогревателями.
Тепловентилятор, также называемый обогревателем с принудительной конвекцией, представляет собой разновидность конвекционного обогревателя, который включает в себя электрический вентилятор для ускорения воздушного потока. Они работают со значительным шумом, создаваемым вентилятором. Они имеют умеренный риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью. Их преимуществом является то, что они более компактны, чем обогреватели, использующие естественную конвекцию, а также экономически эффективны для портативных и небольших систем отопления помещений.
Система аккумулирующего отопления использует более низкие цены на электроэнергию, продаваемую в периоды низкого спроса, например, в ночное время. В Соединенном Королевстве это обозначено как Экономика 7. Накопительный обогреватель сохраняет тепло в глиняных кирпичах, а затем отдает его в течение дня, когда это необходимо. Новые накопительные обогреватели можно использовать по различным тарифам. Хотя их все еще можно использовать с экономикой 7, их можно использовать с дневными тарифами. Это связано с современными конструктивными особенностями, которые добавляются при изготовлении. Наряду с новыми конструкциями использование термостата или датчика повысило эффективность накопительного нагревателя. Термостат или датчик могут считывать температуру в помещении и соответствующим образом изменять мощность обогревателя.
В качестве теплоаккумулирующего средства можно также использовать воду.
В системе электрического теплого пола в пол встроены нагревательные кабели. Ток протекает через проводящий нагревательный материал, подаваемый либо напрямую от сети (120 или 240 В), либо при низком напряжении от трансформатора. Нагревательные кабели нагревают пол за счет прямой проводимости и отключаются, как только он достигнет температуры, установленной напольным термостатом . Более теплая поверхность пола излучает тепло на более холодные окружающие поверхности (потолок, стены, мебель), которые поглощают тепло и отражают все непоглощенное тепло на другие, еще более холодные поверхности. Цикл излучения, поглощения и отражения начинается медленно и медленно замедляется при приближении к заданной температуре и прекращается, как только достигается полное равновесие. Напольный термостат, комнатный термостат или их комбинация контролируют включение/выключение пола. В процессе лучистого отопления тонкий слой воздуха, соприкасающийся с нагретыми поверхностями, также поглощает часть тепла, что создает небольшую конвекцию (циркуляцию воздуха). Вопреки распространенному мнению, люди не нагреваются этим нагретым циркулирующим воздухом или конвекцией (конвекция имеет охлаждающий эффект), а нагреваются прямым излучением источника и отражением его окружения. Комфорт достигается при более низкой температуре воздуха за счет исключения циркулирующего воздуха. Лучистое отопление обеспечивает высочайший уровень комфорта, поскольку собственная энергия человека (± 70 Вт для взрослого) (должна излучаться в отопительный сезон) находится в балансе с окружающей средой. По сравнению с конвекционной системой отопления, основанной на научных исследованиях, температура воздуха может быть снижена до 3 градусов. Один из вариантов — использование трубок, наполненных циркулирующей горячей водой, в качестве источника тепла для обогрева пола. Принцип нагрева остается прежним. Как старые электрические, так и водяные (водяные) системы подогрева полов, встроенные в конструкцию пола, работают медленно и не могут реагировать на внешние изменения погоды или внутренние требования/требования образа жизни. В последнем варианте специализированные системы электрического обогрева и одеяла размещаются непосредственно под декором пола и поверх дополнительной изоляции, размещаемой поверх строительных полов. Строительные полы остаются холодными. Принципиальное изменение положения источника тепла позволяет ему в течение нескольких минут реагировать на изменение погоды и внутренние требования, такие как образ жизни, нахождение/выход на работу, работа, отдых, сон, присутствие большего количества людей/готовление пищи и т. д.
В больших офисных башнях система освещения интегрирована с системой отопления и вентиляции. Отходящее тепло люминесцентных ламп улавливается в возвратном воздухе системы отопления; в больших зданиях значительная часть годовой тепловой энергии обеспечивается системой освещения. Однако это отходящее тепло становится помехой при использовании кондиционера. Таких затрат можно избежать, встроив энергоэффективную систему освещения, которая также создает электрический источник тепла. [2]
Тепловой насос использует компрессор с электрическим приводом для управления циклом охлаждения, который извлекает тепловую энергию из наружного воздуха, земли или грунтовых вод и перемещает это тепло в пространство, которое необходимо обогреть. Жидкость, содержащаяся в секции испарителя теплового насоса, кипит при низком давлении, поглощая тепловую энергию из наружного воздуха или земли. Затем пар сжимается компрессором и подается в змеевик конденсатора внутри здания для обогрева. Тепло горячего плотного газа поглощается воздухом в здании (а иногда также используется для горячего водоснабжения), вызывая конденсацию горячей рабочей жидкости обратно в жидкость. Оттуда жидкость высокого давления подается обратно в секцию испарителя, где она расширяется через отверстие и попадает в секцию испарителя, завершая цикл. В летние месяцы цикл можно изменить на обратный, чтобы вывести тепло из кондиционируемого помещения в наружный воздух.
В условиях мягкого климата тепловые насосы могут получать низкопотенциальное тепло из наружного воздуха. В районах со средней зимней температурой значительно ниже нуля геотермальные тепловые насосы более эффективны, чем воздушные тепловые насосы, поскольку они могут извлекать остаточное солнечное тепло, хранящееся в земле, при более высоких температурах, чем можно получить из холодного воздуха. [3] По данным Агентства по охране окружающей среды США , геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим сопротивлением. [4] Высокая закупочная цена теплового насоса по сравнению с резистивными нагревателями может быть компенсирована, если также необходимо кондиционирование воздуха .
Погружной нагреватель имеет электрический резистивный нагревательный элемент, заключенный в трубку, помещенную в воду (или другую жидкость), подлежащую нагреву. Нагревательный элемент может быть вставлен непосредственно в жидкость или установлен внутри металлической трубы для защиты от коррозии и облегчения обслуживания. Переносные погружные нагреватели могут не иметь регулирующего термостата, поскольку они предназначены для кратковременного использования и под контролем оператора.
Для горячего водоснабжения бытового назначения или горячей воды для промышленных процессов можно использовать стационарно установленные нагревательные элементы в изолированном резервуаре для горячей воды , контролируемые термостатом для регулирования температуры. Бытовые агрегаты могут иметь мощность всего несколько киловатт. Промышленные водонагреватели могут достигать мощности 2000 киловатт. Если доступны непиковые тарифы на электроэнергию, горячую воду можно хранить для использования при необходимости.
В электрических душевых и проточных водонагревателях также используется погружной нагреватель (экранированный или голый), который включается вместе с потоком воды. Группу отдельных нагревателей можно переключать для обеспечения различных уровней нагрева. Электрические души и проточные обогреватели обычно потребляют от 3 до 10,5 киловатт.
Минералы, присутствующие в водопроводе, могут выпадать в осадок из раствора и образовывать твердую накипь на поверхности нагревательного элемента или могут упасть на дно резервуара и засорить поток воды. Обслуживание водонагревательного оборудования может потребовать периодического удаления накопившейся накипи и осадка. Если известно, что вода в источниках сильно минерализована, образование накипи можно уменьшить за счет использования нагревательных элементов малой мощности. [5]
Циркуляционные нагреватели или «электрические теплообменники прямого действия» (DEHE) используют нагревательные элементы, вставленные непосредственно в среду «со стороны корпуса» для обеспечения нагревательного эффекта. Все тепло, вырабатываемое электрическим циркуляционным нагревателем, передается в среду, поэтому эффективность электрического нагревателя составляет 100 процентов. Прямые электрические теплообменники или «циркуляционные нагреватели» используются для нагрева жидкостей и газов в промышленных процессах. [6] [7]
В электродном нагревателе сопротивление проволочной обмотки отсутствует, а сопротивление действует сама жидкость. Это потенциально опасно, поэтому правила, регулирующие использование электродных нагревателей, строгие.
Эффективность любой системы зависит от определения границ системы. Для потребителя электроэнергии эффективность электрического отопления помещений составляет 100%, поскольку вся приобретенная энергия преобразуется в тепло. Однако если включить электростанцию, поставляющую электроэнергию, общий КПД резко падает. Например, электростанция, работающая на ископаемом топливе, поставляет только 3-5 единиц электроэнергии на каждые 10 единиц высвободившейся топливной энергии. [8] Несмотря на то, что электрический обогреватель эффективен на 100%, количество топлива, необходимого для производства тепла, больше, чем если бы топливо сжигалось в печи или котле в отапливаемом здании. Если бы одно и то же топливо могло быть использовано потребителем для отопления помещений, в целом было бы более эффективно сжигать это топливо в здании конечного пользователя. С другой стороны, замена электрического отопления обогревателями, работающими на ископаемом топливе, не обязательно хороша, поскольку она лишает возможности использовать возобновляемое электрическое отопление. Этого можно достичь за счет получения электроэнергии из возобновляемого источника.
Различия между странами, производящими электроэнергию, влияют на обеспокоенность по поводу эффективности и окружающей среды. В 2015 году Франция производила только 6% электроэнергии из ископаемого топлива , в то время как Австралия получала более 86% электроэнергии из ископаемого топлива. [9] Чистота и эффективность электроэнергии зависят от источника.
По этой причине в Швеции использование прямого электрического отопления было ограничено с 1980-х годов, и есть планы полностью отказаться от него (см. « Поэтапный отказ от нефти в Швеции» ), в то время как Дания запретила установку прямого электрического отопления помещений в новых зданиях. по тем же причинам. [10] В случае новых зданий можно использовать методы строительства с низким энергопотреблением , которые могут практически исключить необходимость в отоплении, например, те, которые построены по стандарту пассивного дома .
Однако в Квебеке электрическое отопление по-прежнему остается самой популярной формой отопления дома. Согласно опросу Статистического управления Канады , проведенному в 2003 году , 68% домохозяйств в провинции используют электричество для отопления помещений. Более 90% всей электроэнергии, потребляемой в Квебеке, вырабатывается плотинами гидроэлектростанций , которые имеют низкий уровень выбросов парниковых газов по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Низкие и стабильные тарифы взимает компания Hydro-Québec , принадлежащая провинции. [11]
В последние годы в странах наблюдается основная тенденция к производству низкоуглеродной электроэнергии из возобновляемых источников, в дополнение к атомной энергетике и гидроэнергетике , которые уже давно являются низкоуглеродными источниками. Например, углеродный след электроэнергии в Великобритании на кВтч в 2019 году был менее половины от уровня 2010 года. [8] Однако из-за высоких капитальных затрат стоимость электроэнергии не упала и обычно в 2-3 раза превышает стоимость сжигания топлива. . Следовательно, прямое электрическое отопление теперь может давать такой же углеродный след, как и отопление, работающее на газе или жидком топливе, но стоимость остается выше, хотя более дешевые тарифы в непиковые часы могут снизить этот эффект.
Чтобы обеспечить тепло более эффективно, тепловой насос с электрическим приводом может повышать температуру в помещении за счет извлечения энергии из земли, наружного воздуха или потоков отходов, таких как отработанный воздух. Это может сократить потребление электроэнергии до 35% от потребления электроэнергии при резистивном нагреве. [12] Если основным источником электроэнергии является гидроэлектростанция, атомная энергия или ветер, передача электроэнергии через сеть может быть удобной, поскольку ресурс может быть слишком удаленным для прямого нагрева (за заметным исключением солнечной тепловой энергии ).
Электрификация тепла помещений и нагрева воды все чаще предлагается как путь к декарбонизации нынешней энергетической системы, особенно с помощью тепловых насосов . В случае крупномасштабной электрификации необходимо учитывать воздействие на электросеть из-за потенциального увеличения пикового спроса на электроэнергию и воздействия экстремальных погодных явлений. [13]
Эксплуатация электронагревателей для обогрева помещения в течение длительного времени во многих регионах обходится дорого. Однако прерывистое или частичное дневное использование может быть более экономически эффективным, чем отопление всего здания, благодаря превосходному зональному управлению.
Например: столовая в офисе имеет ограниченное время работы. В периоды низкого использования система центрального отопления обеспечивает «контрольный» уровень тепла (50 °F или 10 °C). Время пикового использования с 11:00 до 14:00 нагревается до «уровня комфорта» (70 °F или 21 °C). Значительная экономия может быть достигнута в общем потреблении энергии, поскольку потери инфракрасного излучения за счет теплового излучения не так велики при меньшем температурном градиенте как между этим помещением и ненагретым наружным воздухом, так и между холодильником и (теперь более прохладной) столовой.
С экономической точки зрения электрическое отопление можно сравнить с другими источниками отопления дома, умножив местную стоимость киловатт-часа электроэнергии на количество киловатт, используемых обогревателем. Например: обогреватель мощностью 1500 Вт по цене 12 центов за киловатт-час 1,5×12=18 центов в час. [14] При сравнении со сжиганием топлива может оказаться полезным конвертировать киловатт-часы в БТЕ : 1,5 кВтч × 3412,142=5118 БТЕ.
Электрический нагрев широко применяется в промышленности. [15]
Преимущества методов электрического нагрева перед другими формами включают точный контроль температуры и распределение тепловой энергии, сгорание, не используемое для выработки тепла, и способность достигать температур, которые трудно достичь при химическом сжигании. Электрическое тепло можно точно применить в той точке, которая необходима в процессе, с высокой концентрацией мощности на единицу площади или объема. Электрические нагревательные устройства могут быть изготовлены любого необходимого размера и расположены в любом месте предприятия. Процессы электрического нагрева, как правило, являются экологически чистыми, бесшумными и не выделяют много побочного тепла в окружающую среду. Электронагревательное оборудование имеет высокую скорость реагирования, что делает его пригодным для быстродействующего оборудования массового производства.
К ограничениям и недостаткам электрического отопления в промышленности относятся более высокая стоимость электрической энергии по сравнению с прямым использованием топлива, а также капитальные затраты как на сам электронагревательный аппарат, так и на инфраструктуру, необходимую для доставки больших объемов электрической энергии к месту использования. . Это может быть в некоторой степени компенсировано повышением эффективности внутри предприятия (на площадке) за счет общего использования меньшего количества энергии для достижения того же результата.
Проектирование промышленной системы отопления начинается с оценки необходимой температуры, количества требуемого тепла и возможных способов передачи тепловой энергии. Помимо проводимости, конвекции и излучения, в методах электрического нагрева для нагрева материала могут использоваться электрические и магнитные поля.
Методы электрического нагрева включают резистивный нагрев, электродуговой нагрев, индукционный нагрев и диэлектрический нагрев. В некоторых процессах (например, дуговой сварке ) электрический ток подается непосредственно на заготовку. В других процессах тепло выделяется внутри заготовки за счет индукции или диэлектрических потерь . Кроме того, тепло может производиться, а затем передаваться на работу посредством проводимости, конвекции или излучения.
Промышленные процессы нагрева можно разделить на низкотемпературные (примерно до 400 °C или 752 °F), среднетемпературные (от 400 до 1150 °C или от 752 до 2102 °F) и высокотемпературные (свыше 1150 °C). или 2102 °F). Низкотемпературные процессы включают обжиг и сушку, отверждение, пайку , формование и формование пластмасс. Среднетемпературные процессы включают плавление пластмасс и некоторых неметаллов для литья или изменения формы, а также отжиг, снятие напряжений и термообработку металлов. Высокотемпературные процессы включают производство стали , пайку , сварку , литье металлов, резку, плавку и подготовку некоторых химикатов.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )