Автор: Антон Кораблёв
Электрическое отопление и горячее водоснабжение традиционно выступает наиболее востребованной альтернативой газовому отоплению и ГВС в секторе частных домов. В ближайшее время эта тенденция может получить масштабное подтверждение, так как сразу в четырёх регионах РФ планируется перевести на электрическое отопление более 130 тысяч домов.
Вопрос о переходе на электрическое отопление муниципального сектора поднимался в конце марта этого года на совещании комиссии Госсовета по энергетике. Инициатива перехода на электрическое отопление логично охватывает регионы, удалённые от свободного доступа к магистральному природному газу – такие, куда проведение газовых магистралей затруднительно и дорогостояще. Это Бурятия, Тыва, Хакассия и Красноярский край. До настоящего времени основным энергоносителем для отопления в этих регионах выступает твёрдое топливо, решение заменить его электричеством во многом связано с экологической составляющей и будет поддерживать реализацию проекта «Чистый воздух». Такой подход потребует значительных финансовых вложений, по оценкам специалистов только на реконструкцию в четырёх субъектах сетевой инфраструктуры электроснабжения, спроектированной под другую нагрузку, необходимо изыскать и выделить около 40 млрд рублей, но здоровая экология по мнению Правительства РФ, подкреплённому мнением ряда экспертов, того стоит [1].
Целью федерального проекта «Чистый воздух» является снижение выбросов в атмосферу, а перевод на электрическое отопление рассматривается как одна из возможных мер по его реализации. По словам замглавы Минэнерго РФ Павла Сниккарса, инициатива при этом исходит от самих субъектов РФ, которые предлагают решения, а Минэнерго даёт оценку их целесообразности.
Теплоснабжение на электричестве
Отопление частного дома на электричестве предусматривает два основных решения – с помощью котла, представляющего собой теплогенератор водяной системы теплоснабжения, где в качестве теплоносителя могут использоваться также антифризы, и прямое – системой электрических обогревателей. Когда рассматривается вопрос о масштабированном переводе на электроотопление целых регионов, включающих большие города, речь, прежде всего, идёт о варианте с котлом. Вариант с прямым отоплением более приемлем при реализации его в каком-то конкретном частном загородном доме, поэтому в этой статье рассматриваться не будет, его рассмотрение требует отдельного материала. А электрические котлы успешно применяются не только для теплоснабжения отдельных частных домов как основной или резервный теплогенератор системы, но и в системах поквартирного отопления многоквартирных домов – существуют такие реализованные проекты в России и Республике Беларусь. А также при реализации проектов с системами поквартирного отопления электрические котлы находят применение как теплогенератор, работающий на отопление таких мест общего пользования, какими являются лестничные пролёты и площадки подъездов многоквартирных домов. Помимо экологического фактора, электрическое теплоснабжение обладает и дополнительными достоинствами.
Преимущества оправдывают выбор
Одним из главных достоинств электрического отопления выступает доступность энергоносителя – электросети охватывают практически все населённые пункты страны, подвести же электричество к конкретному объекту обычно значительно проще, чем подключить его к магистральному газу, это не требует прокладки газовых коммуникаций, требующей больших трудозатрат и более долгих сроков на выполнение соответствующих работ. Например, Газпром может провести сетевой газ в республику Бурятию и Забайкальский край, однако строительство газопровода до г. Чита (через г. Улан-Удэ) зависит от сроков подписания контракта с Китаем о поставках газа по магистральному газопроводу Сила Сибири-2 и, кроме того, на строительство газопровода-отвода от этого магистрального газопровода потребуется 5,5 лет, к которым надо прибавить ещё и время на строительство распределительных сетей. Поэтому вариант с электроотоплением для этих регионов выглядит оправданным, даже при необходимости модернизации сетевой инфраструктуры.
Для потребителя главным минусом электроотопления считается дороговизна энергоносителя, однако организация системы с электрическим котлом потребует меньших капиталовложений, чем с газовым. Прежде всего, близкие по характеристикам модели электрических котлов дешевле газовых аналогов, а также и работающих на твёрдом или жидком топливе. Кроме того, они компактнее котлов, работающих на указанных традиционных видах топлива, проще по конструкции, легче в монтаже и эксплуатации, не нуждаются в отдельном помещении, обустройстве дымохода и соблюдении нормативных требований к системам вентиляции, не требуют создания хранилища для запаса топлива и прокладки газовых коммуникаций. В обслуживании электрические котлы также проще и безопаснее в эксплуатации по сравнению с газовыми, жидко- и твердотопливными – не требуют заведения взрывоопасного природного газа внутрь жилых помещений, а токсичного угарного газа, утечка которого при нарушении системы дымоотвода может привести к печальным последствиям, при их работе тоже не образуется.
Ещё одним, неочевидным на первый взгляд преимуществом электрического теплоснабжения, являются более широкие возможности для обеспечения комфортного и эффективного ГВС. КПД тепловой мощности современных бытовых котлов, как газовых, так и электрических моделей, находящих применение в поквартирном (индивидуальном) отоплении, одинаково высок – 95-98%. Однако конвекционные газовые котлы уступают в эффективности своим электрическим аналогам при работе на малых мощностях. Это связано с тем, что коэффициент модуляции мощности атмосферных газовых горелок не превышает значения 2,5 [2]. Этого недостаточно, чтобы обеспечить эффективную работу газового котла на малой мощности. Так, для многих газовых конвекционных моделей мощностью 24 кВт, наиболее часто использующихся в системах поквартирного теплоснабжения, нижний порог модуляции мощности составляет 9,4 кВт, потребность же на отопление при поквартирном теплоснабжении составляет не более 3 киловатт в час. При работе с такой нагрузкой котёл переходит в режим «тактования», заключающийся в частом включении/выключения теплоагрегата.
Энергетическая эффективность работы котла в таком режиме значительно ниже заявленных параметров, а парниковые выбросы с отводящимися продуктами сгорания – выше. Использовать же в системах поквартирного теплоснабжения котлы меньшей мощности нерационально, так как комфортное горячее водоснабжение требует 15-20 кВт в час [3]. Электрические котлы работают с неизменной высокой эффективностью во всём диапазоне производимой тепловой мощности, в том числе и на малой тепловой нагрузке, а парниковых выбросов при их работе, как уже отмечено выше, вовсе не образуется.
Водяное отопление с электрокотлом
Современный электрический котёл – это по сути та же полноценная мини-котельная, какую представляет собой газовый «настенник». На рынке присутствуют модели электрических котлов разных типов, которые для создания полноценной системы отопления надо доукомплектовывать расширительным мембранным баком и циркуляционным насосом, но большинство производителей предлагают уже готовые решения, включающее в себя в едином корпусе не только непосредственно сам котёл, но также и расширительный бак, и циркуляционный насос, и систему управления. Такие модели могут предусматривать ступенчатое и многоступенчатое (до 30 ступеней) регулирование мощности в пределах бытового и промышленного диапазона. Выпускаются как одноконтурные, так и двухконтурные модели. Однако от типа электрического котла с учётом особенностей его принципиальной конструкции могут зависеть условия его применения.
В водяных системах отопления, включающих в качестве теплогенератора электрический котёл, теплоносителем может выступать как вода, так и антифризы, но принципиальной особенностью их конструкции является применяемый в них способ нагрева теплоносителя, от которого могут зависеть и необходимые свойства применяемого теплоносителя. В трёх основных типах электрических котлов для нагрева теплоносителя могут применяться: ТЭНы, электроды, а также внешний обогрев теплообменника за счёт резистивного или индукционного элемента. Соответственно, в зависимости от способа нагрева теплоносителя системы отопления, выделяют типы котлов: тэновые (ТЭНовые), электродные и индукционные.
ТЭНы (трубчатые нагревательные элементы), использующиеся для нагрева теплоносителя в тэновых моделях электрических котлов (рис. 1,2), представляют собой электрические проводники с высоким сопротивлением (например, нихромовая спираль), изолированные от прямого контакта с теплоносителем – окружённые диэлектрическим материалом и помещённые в металлическую трубку. Геометрическая форма трубки ТЭНа может быть разной. Контакты для подключения к электросети выведены на концы трубки. Благодаря такой конструкции трубка (корпус ТЭНа) электрически безопасна. Электрический ток, протекая по элементу, вызывает его нагрев, который передаётся теплоносителю. В зависимости от мощности тэновые котлы выпускаются в двухфазном и трёхфазном исполнении.
Очевидно, что при утечке теплоносителя ТЭН, не погружённый в воду, перегревается и перегорает. Его можно заменить и вернуть котлу работоспособность, но на какое-то время он выходит из строя или заметно теряет в мощности в случае оснащения несколькими ТЭНами. Однако во избежание таких неприятностей ТЭНовые котлы оснащаются соответствующей защитой, управляемой автоматикой, которая отключит котёл в случае перегрева и выдаст информацию о неполадке на панели управления.
Недостатком тэновых котлов является также образование извести на поверхности ТЭНа и стенках котла, когда в качестве теплоносителя в системе отопления используется неподготовленная вода с высокой степенью жёсткости, характеризующаяся высоким содержанием ионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Поэтому обслуживание котла требует периодической очистки теплообменных поверхностей от известковых налётов, внесение в состав теплоносителя различных добавок. Либо водный теплоноситель нуждается перед использованием в подготовке, в процессе которой содержание указанных ионов доводится до показателя нормальной жёсткости 7–10 мг-экв/л.
Многие проблемы позволяет предупредить автоматика, которой оснащаются котлы, и которая приносит пользователю дополнительные возможности в достижении комфорта. Например, ведущие производители стараются снизить пусковую нагрузку, чтобы избежать больших перепадов напряжения. Для этого в котлах устанавливается несколько ТЭНов, которые включаются электроникой с некоторой временной задержкой и максимальным шагом мощности 0,5 – 0,6 кВт. Это не только обеспечивает мягкий старт котла, но и позволяет достигать многоступенчатого регулирования, автоматического или ручного, а в пределах каждой ступени регулирование автоматическое и плавное.
Модели, оснащённые встроенным термостатом и электронной автоматикой, могут регулировать работу двух контуров – отопления и ГВС – по температуре теплоносителя. Пользователь получает возможность выбора отопительных режимов. Котлы можно объединять в каскад, управлять температурой в бойлере (при использовании комплекта для его подключения).
Модели с электронным управлением оснащаются системами самодиагностики с индикацией неисправностей. Возможно подключение комнатного термостата, погодозависимой автоматики. Предусматриваются функции предотвращения заклинивания насоса, «ночной температуры», защиты от замерзания котла и системы отопления (при использовании наружного датчика), «защиты от легионелл». Котлами можно управлять дистанционно и при помощи мобильного телефона.
Благодаря своим эксплуатационным возможностям тэновые котлы не только завоевали ведущие позиции на рынке и успешно используются в системах отопления частных домов, но и рекомендуются специалистами как предпочтительные для использования в поквартирных системах отопления многоквартирных домов муниципального сектора [3]. На данный момент именно тэовые модели электрических котлов имеют наибольшую перспективу в реализации инициативы по переходу регионов на электрическое отопление.
В электродных отопительных котлах (рис. 3), которые также называют ионными, теплоноситель нагревается за счёт прохождения тока через теплоноситель. Котёл функционирует как проточный электронагреватель. Носителями тока являются ионы солей, содержащиеся в воде. Они колеблются под действием переменного напряжения на электродах, находящихся в объёме теплоносителя (рис. 4). При этом теплоноситель нагревается. Электролиза не происходит благодаря частой смене полярности электродов, которая изменяется с частотой 50 Гц.
Теплоноситель в таких котлах должен обладать свойствами, позволяющими проводить электрический ток, содержать ионы, поэтому в отопительных системах с электродными котлами нельзя применять антифризы и дистиллированную воду. Обычно электродные котлы имеют цилиндрическую форму, характеризуются малыми габаритными размеры, безопасны (не работают при отсутствии воды), обладают низкой инерционностью и при наличии системы автоматического управления характеризуются очень высокой экономичностью. К их минусам относят образование накипи, вызывающее снижение мощности, используемая как теплоноситель вода требует подготовки, существует вероятность прямой утечки тока на корпус и трубы отопления, энергопотребление котла растёт с повышением температуры теплоносителя.
В котлах индукционного типа (рис. 5)для нагрева используется явление электромагнитной индукции – возникновение вихревых токов в сердечнике катушки при прохождении по обмотке электрического тока. Нагрев теплоносителя в индукционном котле происходит за счёт нагрева стального сердечника вихревыми токами, вызванными электромагнитным полем, генерируемым током высокого напряжения. Сердечник в таком котле представляет собой трубу из ферро-магнитной стали и отдаёт тепло протекающему внутри трубы теплоносителю (рис. 6). Эти котлы могут эксплуатироваться с любым из использующихся в отопительных системах теплоносителем. Подготовки теплоносителя не требуется.
Среди недостатков индукционных котлов чаще всего отмечается их высокая стоимость и большой вес. Могут устанавливаться только в закрытых системах отопления.
На российском рынке котельного оборудования присутствуют все три основных типа электрических котлов в широком диапазоне мощностей, причём около 90 % этого разнообразия представлено тэновыми моделями. Важно, что отечественные производители электрических котлов занимают уверенные позиции на этом секторе рынка. Выпускаемые модели постоянно совершенствуется и появляются новые.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. Алифирова Е. В 4 регионах России планируется перевод на электроотопление более 130 тыс. домов.
2. Торопов А.Л. Исследование работы газовых клапанов конвекционных котлов малой мощности. АВОК, 2020. №3. С. 58–61.
3. Торопов А.Л. К вопросу о перспективах развития электрического поквартирного теплоснабжения. Вестник науки и образования Северо-Запада России, 2022, Т.8, №2 ISSN 2413–9858
