Введение
Процесс преобразования электрической энергии в тепло
Электрическое нагревание – это процесс, при котором электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепловую энергию. Типичные области применения включают отопление помещений, приготовление пищи, нагрев воды и промышленные процессы. Электрический нагреватель – это электрическое устройство, преобразующее электрический ток в тепло. Нагревательный элемент внутри каждого электрического нагревателя является электрическим резистором и работает по принципу закона Джоуля: электрический ток, проходящий через резистор, преобразует электрическую энергию в тепловую. Большинство современных электрических нагревательных приборов используют нихромовую проволоку в качестве активного элемента; нагревательный элемент, изображенный справа, использует нихромовую проволоку, поддерживаемую керамическими изоляторами. В качестве альтернативы, тепловой насос может достигать эффективности нагрева около 150% – 600%, или COP 1,5 – 6,0 (коэффициент преобразования), поскольку он использует электроэнергию только для переноса существующей тепловой энергии. Тепловой насос использует электродвигатель для привода обратного холодильного цикла, который извлекает тепловую энергию из внешнего источника, такого как земля или наружный воздух (или внутреннее пространство холодильника), и направляет это тепло в отапливаемое помещение (в случае холодильника – на кухню). Это позволяет более эффективно использовать электроэнергию, чем прямое электрическое нагревание, но требует более дорогостоящего оборудования и монтажа трубопроводов. Некоторые системы отопления могут работать в обратном режиме для кондиционирования воздуха, охлаждая внутреннее пространство и отводя более горячий воздух или воду наружу или в землю.
Отопление помещений
Обогрев помещений используется для обогрева внутренних пространств зданий. Обогреватели полезны в местах, где вентиляция затруднена, например, в лабораториях. Применяется несколько методов электрического обогрева помещений.
Радужные обогреватели с инфракрасным излучением
Электрическое инфракрасное отопление использует нагревательные элементы, достигающие высокой температуры. Обычно элемент помещен в стеклянную колбу, похожую на лампочку, и оснащен отражателем для направления потока энергии от корпуса обогревателя. Элемент излучает инфракрасное излучение, которое распространяется по воздуху или в пространстве, пока не достигнет поглощающей поверхности, где частично преобразуется в тепло и частично отражается. Это тепло непосредственно нагревает людей и предметы в помещении, а не воздух. Этот тип обогревателя особенно эффективен в помещениях с потоком неотапливаемого воздуха. Он также идеально подходит для подвалов и гаражей, где необходимо локальное отопление. В целом, это отличный выбор для целевого обогрева. Радиационные обогреватели работают бесшумно, но представляют наибольшую опасность возгорания находящейся рядом мебели из-за высокой концентрации излучаемой энергии и отсутствия защиты от перегрева. В Великобритании эти приборы иногда называют электрическими каминами, поскольку изначально они использовались для замены открытых очагов. Активная среда обогревателя, описанного в данном разделе, представляет собой спираль из нихромовой проволоки сопротивления, помещенную в трубку из кварцевого стекла с открытыми концами. Однако существуют модели, в которых кварцевое стекло герметично запаяно, а сплав сопротивления не является нихромом.
Естественная конвекция
В конвекционном обогревателе нагревательный элемент нагревает воздух, находящийся с ним в контакте, посредством теплопроводности. Горячий воздух менее плотный, чем холодный, поэтому он поднимается вверх под действием силы Архимеда, позволяя более холодному воздуху поступать на его место. Это создает конвекционный поток горячего воздуха, который поднимается от обогревателя, нагревает окружающее пространство, остывает и затем цикл повторяется. Некоторые обогреватели заполнены маслом или теплоносителем. Они идеально подходят для обогрева закрытых помещений. Они работают бесшумно и имеют меньший риск воспламенения при случайном контакте с предметами мебели по сравнению с инфракрасными электрическими обогревателями.
Принудительная конвекция
Нагреватель с вентилятором, также называемый конвектором с принудительной конвекцией, является разновидностью конвекционного обогревателя, в котором используется электрический вентилятор для ускорения циркуляции воздуха. Они работают с заметным шумом, создаваемым вентилятором. Существует умеренный риск воспламенения при случайном контакте с предметами интерьера. Их преимущество заключается в более компактных размерах по сравнению с обогревателями, использующими естественную конвекцию, а также в экономичности для портативных и небольших систем отопления.
Отопление для хранения
Система накопительного отопления использует преимущества более низких цен на электроэнергию, предлагаемых в периоды низкого спроса, например, ночью. В Великобритании это известно как "Экономия 7". Накопительный обогреватель сохраняет тепло в глиняных кирпичах и затем отдает его в течение дня по мере необходимости. Современные накопительные обогреватели могут работать с различными тарифными планами. Хотя они по-прежнему совместимы с тарифом "Экономия 7", их можно использовать и с дневными тарифами. Это стало возможным благодаря современным конструктивным решениям, внедряемым в процессе производства. Наряду с новыми конструкциями, использование термостата или датчика повысило эффективность накопительного обогревателя. Термостат или датчик считывает температуру в помещении и соответствующим образом регулирует мощность обогрева. Вода также может применяться в качестве теплоаккумулирующей среды.
Электрическое напольное отопление для бытовых нужд
Электрическая система подогрева пола имеет нагревательные кабели, встроенные в пол. Ток протекает через проводящий нагревательный материал, который питается либо непосредственно от сетевого напряжения (120 или 240 вольт), либо от низковольтного трансформатора. Нагретые кабели нагревают напольное покрытие посредством прямой теплопроводности и отключаются, когда температура достигает значения, установленного напольным термостатом. Теплая поверхность пола излучает тепло на более холодные окружающие поверхности (потолок, стены, мебель), которые поглощают тепло и отражают не поглощенную часть на еще более холодные поверхности. Цикл излучения, поглощения и отражения начинается медленно, замедляется по мере приближения к заданной температуре и прекращается, когда достигается равновесие. Управлять включением/выключением пола можно с помощью напольного или комнатного термостата, либо их комбинации. В процессе лучистого обогрева тонкий слой воздуха, соприкасающийся с нагретой поверхностью, также поглощает часть тепла, создавая небольшую конвекцию (циркуляцию воздуха). Вопреки распространенному мнению, люди нагреваются не этим теплым циркулирующим воздухом или конвекцией (конвекция оказывает охлаждающий эффект), а прямым излучением от источника и отражением от окружающих поверхностей. Комфорт достигается при более низкой температуре воздуха за счет отсутствия циркуляции воздуха. Лучистое отопление обеспечивает максимальный комфорт, поскольку собственная теплоотдача человека (± 70 Вт для взрослого) (должна происходить в отопительный сезон) находится в балансе с окружающей средой. По сравнению с конвективными системами отопления, согласно академическим исследованиям, температура воздуха может быть снижена до 3 градусов. Один из вариантов – использование труб, заполненных циркулирующей горячей водой, в качестве источника тепла для обогрева пола. Принцип нагрева остается тем же. Как традиционные электрические, так и водяные (гидронические) системы подогрева пола, встроенные в конструкцию пола, медленно реагируют на изменения внешней температуры и внутренние потребности, связанные с образом жизни. Новейшая разработка предполагает размещение специализированных электрических систем обогрева и теплоизоляционных матов непосредственно под напольным покрытием и поверх дополнительной изоляции, уложенных на перекрытия. Перекрытия остаются холодными. Изменение принципа размещения источника тепла позволяет системе реагировать на изменения погоды и внутренних потребностей (например, присутствие/отсутствие людей, работа, отдых, сон, приготовление пищи) в течение нескольких минут.
Система освещения
В больших офисных зданиях система освещения интегрирована с системами отопления и вентиляции. Тепло, выделяемое люминесцентными лампами, используется для подогрева воздуха, возвращаемого в систему отопления; в крупных зданиях значительная часть годовой потребности в тепле покрывается за счет системы освещения. Однако это тепло становится нежелательным при использовании кондиционирования воздуха. Эти затраты можно избежать, интегрировав энергоэффективную систему освещения, которая также служит источником электрического тепла.
Тепловые насосы
Тепловой насос использует электрический компрессор для работы холодильного цикла, который извлекает тепловую энергию из наружного воздуха, земли или грунтовых вод и передает это тепло в отапливаемое помещение. Жидкость, находящаяся в испарителе теплового насоса, кипит при низком давлении, поглощая тепловую энергию из наружного воздуха или земли. Образовавшийся пар затем сжимается компрессором и подается в конденсатор, расположенный внутри отапливаемого здания. Тепло от горячего, сжатого газа поглощается воздухом в здании (и иногда также используется для нагрева бытовой воды), что приводит к конденсации рабочей жидкости обратно в жидкое состояние. Затем жидкость под высоким давлением возвращается в испаритель, где расширяется через дроссель и поступает в испарительную секцию, завершая цикл. Летом цикл может быть реверсирован для отвода тепла из отапливаемого помещения наружу. Тепловые насосы могут получать тепло низкого качества из наружного воздуха в умеренном климате. В регионах со средней зимней температурой значительно ниже нуля, геотермальные тепловые насосы более эффективны, чем воздушные, поскольку они способны извлекать остаточное солнечное тепло, накопленное в земле при более высоких температурах, чем доступно из холодного воздуха. По данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим сопротивлением. Высокая стоимость приобретения теплового насоса по сравнению с нагревателями сопротивления может быть компенсирована, если требуется также и кондиционирование воздуха.
Погружной нагреватель
Нагреватель погружного типа имеет электрический сопротивляющий нагревательный элемент, заключенный в трубку, который помещается в воду (или другую жидкость) для нагрева. Нагревательный элемент может быть непосредственно погружен в жидкость или установлен внутри металлической трубы для защиты от коррозии и упрощения обслуживания. Переносные нагреватели погружного типа могут не иметь регулируемого термостата, поскольку предназначены для кратковременного использования под контролем оператора. Для бытового горячего водоснабжения или горячей воды в промышленных процессах могут использоваться постоянно установленные нагревательные элементы в изолированном бойлере, управляемые термостатом для поддержания температуры. Бытовые приборы обычно имеют мощность всего несколько киловатт. Промышленные водонагреватели могут достигать мощности 2000 киловатт. При наличии тарифов на электроэнергию в периоды низкой нагрузки, горячую воду можно накапливать для использования по мере необходимости. Электрические душевые установки и проточные водонагреватели также используют погружной нагреватель (защищенный или незащищенный), который включается при подаче воды. Можно использовать группу отдельных нагревателей для обеспечения различных уровней нагрева. Электрические душевые установки и проточные водонагреватели обычно потребляют от 3 до 10,5 киловатт. Минералы, содержащиеся в воде, могут выпадать в осадок и образовывать твердый налет на поверхности нагревательного элемента, или оседать на дно резервуара, засоряя поток воды. Техническое обслуживание водонагревательного оборудования может потребовать периодического удаления накопившегося накипи и осадка. В тех случаях, когда известно, что водоснабжение сильно минерализовано, образование накипи можно уменьшить, используя нагревательные элементы с малой удельной мощностью.
Обогреватели циркуляции
Циркуляционные обогреватели или "прямые электрические теплообменники" (DEHE) используют нагревательные элементы, помещенные непосредственно в среду, протекающую по "оболочке", для обеспечения нагрева. Все тепло, вырабатываемое электрическим циркуляционным обогревателем, передается этой среде, что обеспечивает 100-процентную эффективность электрического обогревателя. Прямые электрические теплообменники или "циркуляционные обогреватели" применяются для нагрева жидкостей и газов в промышленных процессах.
Электродный нагреватель
При электродном нагревателе отсутствует обмоточное сопротивление, а само вещество выступает в роли сопротивления. Это сопряжено с потенциальными опасностями, поэтому нормативные требования к электродным нагревателям строгие.
Экологические аспекты и эффективность
Эффективность любой системы зависит от определения границ этой системы. Для потребителя электрической энергии эффективность электрического отопления помещений составляет 100%, поскольку вся приобретенная энергия преобразуется в тепло. Однако, если учитывать электростанцию, поставляющую электричество, общая эффективность резко снижается. Например, электростанция, работающая на ископаемом топливе, вырабатывает всего 35 единиц электрической энергии на каждые 10 единиц энергии топлива. Даже при 100% эффективности электрического нагревателя, количество топлива, необходимое для производства тепла, больше, чем при сжигании этого топлива в печи или котле непосредственно в отапливаемом здании. Если бы то же топливо могло использоваться потребителем для отопления, в целом было бы эффективнее сжигать его в здании конечного пользователя. С другой стороны, замена электрического отопления на отопление, работающее на ископаемом топливе, не всегда целесообразна, поскольку это лишает возможности использования возобновляемых источников электричества, что можно обеспечить, получая электроэнергию из возобновляемых источников. Различия в способах производства электроэнергии в разных странах влияют на вопросы эффективности и охраны окружающей среды. В 2015 году Франция производила всего 6% электроэнергии из ископаемого топлива, в то время как Австралия – более 86%. Чистота и эффективность электроэнергии зависят от ее источника. В Швеции использование прямого электрического отопления ограничено с 1980-х годов по этой причине, и существуют планы по его полному отказу (см. Отказ от нефти в Швеции), а в Дании запрещена установка прямого электрического отопления в новых зданиях по аналогичным причинам. В новых зданиях можно использовать энергоэффективные строительные технологии, которые практически исключают необходимость в отоплении, например, здания, построенные по стандарту Пассивхаус. Однако в Квебеке электрическое отопление по-прежнему является наиболее распространенным способом отопления домов. Согласно опросу Statistics Canada 2003 года, 68% домохозяйств в провинции используют электричество для отопления помещений. Более 90% всей электроэнергии, потребляемой в Квебеке, вырабатывается гидроэлектростанциями, которые производят значительно меньше выбросов парниковых газов, чем электростанции на ископаемом топливе. Низкие и стабильные тарифы предлагает Hydro Québec, провинциальная коммунальная компания. В последние годы наблюдается тенденция к увеличению производства низкоуглеродной электроэнергии из возобновляемых источников, в дополнение к ядерной и гидроэнергетике, которые уже давно являются источниками с низким уровнем выбросов углерода. Например, углеродный след электроэнергии в Великобритании на кВт⋅ч в 2019 году был менее чем в два раза меньше, чем в 2010 году. Однако из-за высоких капитальных затрат стоимость электроэнергии не снизилась и обычно в 2–3 раза превышает стоимость сжигания топлива. Таким образом, прямое электрическое отопление может создавать сопоставимый с газовым или мазутным отоплением углеродный след, но при этом остается более дорогим, хотя более дешевые тарифы в непиковое время могут снизить эту разницу. Для более эффективного обогрева можно использовать тепловой насос с электроприводом, который повышает температуру в помещении, извлекая энергию из земли, наружного воздуха или отходящих потоков, таких как вытяжной воздух. Это может снизить потребление электроэнергии до 35% от потребления резистивного отопления. Если основным источником электроэнергии являются гидро-, ядерная или ветряная электростанции, передача электроэнергии по сети может быть удобной, поскольку ресурс может быть слишком удален для прямого отопления (за исключением солнечной тепловой энергии). Электрификация отопления помещений и нагрева воды все чаще рассматривается как способ декарбонизации существующей энергетической системы, особенно с использованием тепловых насосов. В случае масштабной электрификации необходимо учитывать влияние на электросеть из-за потенциального увеличения пикового спроса на электроэнергию и воздействия экстремальных погодных явлений.
Экономические аспекты
Работа электрических нагревателей для длительного отопления помещения во многих регионах обходится дорого. Однако, периодическое или частичное использование в течение дня может быть более экономичным, чем отопление всего здания, благодаря превосходному зональному контролю. Например, в офисной столовой часы работы ограничены. В периоды низкой загруженности центральная система отопления поддерживает "поддерживающий" уровень тепла. В часы пиковой нагрузки, с 11:00 до 14:00, помещение нагревается до "комфортного" уровня. Существенная экономия энергии достигается за счет меньших потерь инфракрасного излучения через тепловое излучение, поскольку температурный градиент как между помещением и неотапливаемым наружным воздухом, так и между холодильником и (теперь более прохладной) столовой, меньше. С экономической точки зрения, стоимость электрического отопления можно сравнить с другими источниками тепла, умножив местную цену за киловатт-час электроэнергии на мощность нагревателя в киловаттах. Например: нагреватель мощностью 1500 Вт при цене 12 центов за киловатт-час – 1,5 × 12 = 18 центов в час. Для сравнения с отоплением на топливе может быть полезно перевести киловатт-часы в BTU: 1,5 кВтч × 3412,142 = 5118 BTU.
Промышленное электрическое отопление
Электрическое нагревание широко используется в промышленности. Преимущества электрических методов нагрева по сравнению с другими заключаются в точном регулировании температуры и распределении тепловой энергии, отсутствии необходимости в сгорании для выработки тепла, а также в возможности достижения температур, которые трудно получить при химическом сгорании. Электрическое тепло может быть точно направлено в нужную точку процесса, с высокой концентрацией мощности на единицу площади или объема. Электрические нагревательные устройства могут быть изготовлены любого необходимого размера и размещены в любом месте на предприятии. Процессы электрического нагрева обычно являются чистыми, тихими и не выделяют значительного количества вторичного тепла в окружающую среду. Электрическое нагревательное оборудование обладает высокой скоростью отклика, что делает его подходящим для быстрого циклического массового производства. Ограничения и недостатки электрического нагрева в промышленности включают более высокую стоимость электроэнергии по сравнению с прямым использованием топлива, а также капитальные затраты на само электрическое нагревательное оборудование и инфраструктуру, необходимую для подачи больших объемов электроэнергии к месту использования. Это может быть частично компенсировано повышением эффективности на предприятии (на месте) за счет общего снижения энергопотребления для достижения того же результата. Проектирование промышленной системы нагрева начинается с оценки требуемой температуры, необходимого количества тепла и возможных способов передачи тепловой энергии. Помимо теплопроводности, конвекции и излучения, электрические методы нагрева могут использовать электрические и магнитные поля для нагрева материала. Методы электрического нагрева включают нагрев сопротивлением, нагрев электрической дугой, индукционный нагрев и диэлектрический нагрев. В некоторых процессах (например, при дуговой сварке) электрический ток подается непосредственно на заготовку. В других процессах тепло генерируется внутри заготовки за счет индукции или диэлектрических потерь. Также тепло может быть произведено, а затем передано заготовке посредством теплопроводности, конвекции или излучения. Промышленные процессы нагрева можно условно разделить на низкотемпературные (до около ), среднетемпературные (от до ) и высокотемпературные (свыше ). К низкотемпературным процессам относятся выпечка и сушка, отверждение покрытий, пайка, формование и обработка пластмасс. К среднетемпературным процессам относятся плавление пластмасс и некоторых неметаллов для литья или переработки, а также отжиг, снятие внутренних напряжений и термообработка металлов. Высокотемпературные процессы включают выплавку стали, пайку твердым припоем, сварку, литье металлов, резку, плавку и производство некоторых химических веществ.