Электрическое отопление - Electric heating

Нагревательные змеевики сопротивления 30 кВт

Этот лучистый обогреватель использует вольфрамовые галогенные лампы.

Электрическое отопление это процесс, в котором электроэнергия конвертируется в тепловая энергия. Общие приложения включают отопление помещений, Готовка, водяное отопление и производственные процессы. An электрический нагреватель является электрические устройство, преобразующее электрический ток в тепло.^[1] В нагревательный элемент внутри каждого электронагревателя находится электрический резистор, и работает по принципу Джоулевое нагревание: an электрический ток прохождение через резистор преобразует эту электрическую энергию в тепловую. В большинстве современных электрических нагревательных приборов используются нихром провод в качестве активного элемента; В нагревательном элементе, изображенном справа, используется нихромовая проволока, поддерживаемая керамическими изоляторами.

В качестве альтернативы Тепловой насос использует электрический двигатель водить цикл охлаждения, который забирает тепловую энергию из источника, такого как земля или наружный воздух, и направляет это тепло в обогреваемое пространство. Некоторые системы можно перевернуть, чтобы внутреннее пространство охлаждалось, а теплый воздух выпускался наружу или в землю.

Отопление помещений

Отопление помещений применяется для утепления интерьеров зданий. Обогреватели полезны в местах с затрудненной вентиляцией, например, в лабораториях. Используются несколько методов электрического обогрева помещений.

Инфракрасные лучистые обогреватели

Электрический радиационный обогреватель

Электрический инфракрасное лучистое отопление использует нагревательные элементы, которые достигают высокой температуры. Элемент обычно упаковывается в стекло конверт, напоминающий лампочка и с отражателем, чтобы направить выходную энергию от корпуса нагревателя. Элемент излучает инфракрасная радиация который движется по воздуху или пространству, пока не достигнет поглощающей поверхности, где он частично преобразуется в тепло и частично отражается. Это тепло напрямую 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 желательно точечное отопление. В целом, они являются отличным выбором для отопления в зависимости от конкретной задачи.

Лучистые обогреватели работают бесшумно и представляют наибольшую потенциальную опасность возгорания соседней мебели из-за целенаправленной мощности их мощности и отсутствия защиты от перегрева. В Соединенном Королевстве эти приборы иногда называют электрическими каминами, потому что они изначально использовались для замены открытого огня.

Активная среда нагревателя, изображенного в этом разделе, представляет собой катушку из нихромовой проволоки сопротивления внутри плавленый кварц трубка, открытая для атмосферы на концах, хотя существуют модели, в которых плавленый кварц герметизирован на концах, а сплав сопротивления не является нихромом.

Конвекционные обогреватели

В конвекционном обогревателе нагревательный элемент нагревает воздух, контактирующий с ним, за счет теплопроводность. Горячий воздух меньше плотный чем прохладный воздух, поэтому он поднимается из-за плавучесть, позволяя более прохладному воздуху поступать на его место. Это создает конвекция поток горячего воздуха, который поднимается от обогревателя, нагревает окружающее пространство, охлаждает и затем повторяет цикл. Эти обогреватели иногда наполненный маслом или теплоноситель. Они идеально подходят для обогрева замкнутого пространства. Они работают бесшумно и имеют меньший риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью по сравнению с лучистыми электрическими обогревателями.

Тепловентиляторы

Тепловентилятор, также называемый обогревателем с принудительной конвекцией, представляет собой разновидность конвекционного обогревателя, который включает электрический вентилятор для ускорения воздушного потока. Они работают со значительным шумом, вызываемым вентилятором. Они имеют умеренный риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью. Их преимущество в том, что они более компактны, чем обогреватели, использующие естественную конвекцию, а также экономичны для портативных систем отопления и отопления небольших помещений.

Нагрев хранения

Система накопительного отопления использует более низкие цены на электроэнергию, продаваемую в периоды низкого спроса, например, в ночное время. В Соединенном Королевстве это называется Economy 7. Накопительный нагреватель накапливает тепло в глиняных кирпичах, а затем отдает его в течение дня, когда это необходимо. Новые водонагреватели можно использовать по разным тарифам. Хотя их можно использовать в экономичном режиме 7, их можно использовать и с дневными тарифами. Это связано с современными конструктивными особенностями, которые добавляются в процессе производства. Наряду с новыми конструкциями использование термостата или датчика повысило эффективность накопительного нагревателя. Термостат или датчик могут считывать температуру в помещении и соответственно изменять мощность нагревателя.

Воду также можно использовать в качестве теплоносителя.

Внутренний электрический теплый пол

Электрический пол с подогревом система имеет греющие кабели, встроенные в пол. Ток течет через проводящий нагревательный материал, питаемый либо непосредственно от сети (120 или 240 вольт), либо при низком напряжении от трансформатора. Нагреваемые кабели нагревают пол за счет прямой теплопроводности и отключаются, когда температура достигает заданной температуры пола. термостат. Более теплая поверхность пола излучает тепло на более холодные окружающие поверхности (потолок, стены, мебель.), Которые поглощают тепло и отражают все непоглощенное тепло к еще более прохладным поверхностям. Цикл излучения, поглощения и отражения начинается медленно и медленно замедляется по мере приближения к заданной температуре и прекращается после достижения полного равновесия. Напольный термостат, комнатный термостат или комбинация регулируют включение / выключение пола. В процессе лучистого обогрева тонкий слой воздуха, соприкасающийся с нагретыми поверхностями, также поглощает некоторое количество тепла, что создает небольшую конвекцию (циркуляцию воздуха). Вопреки мнению, люди не нагреваются этим нагретым циркулирующим воздухом или конвекцией (конвекция имеет охлаждающий эффект), а нагреваются за счет прямого излучения источника и отражения его окружения. Комфорт достигается при более низкой температуре воздуха за счет удаления циркулирующего воздуха. Лучистое отопление обеспечивает высочайший уровень комфорта, поскольку собственная энергия людей (± 70 Вт для взрослого) (которая должна излучаться в отопительный сезон) находится в балансе с окружающей средой. По сравнению с системой конвекционного отопления, основанной на академических исследованиях, 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 остался прежним. Как старые электрические, так и теплые водяные (гидронные) системы теплого пола, встроенные в конструкцию пола, работают медленно и не могут реагировать на внешние погодные изменения или внутренние требования / требования стиля жизни. В последнем варианте специализированные электрические системы отопления и одеяла размещаются непосредственно под декором пола. и поверх дополнительной изоляции, размещенной поверх строительных перекрытий. Строительные полы остаются холодными.Принципное изменение расположения источника тепла позволяет ему в течение нескольких минут реагировать на изменение погоды и внутренние требования, такие как стиль жизни на входе / выходе, на работе, отдых, сон, присутствие большего количества людей / готовка и т. Д.

Система освещения

В больших офисных башнях система освещения интегрирована вместе с системой отопления и вентиляции. Отработанное тепло из флюоресцентные лампы захватывается возвратным воздухом системы отопления; в больших зданиях значительная часть годовой тепловой энергии обеспечивается системой освещения. Однако это отходящее тепло становится помехой при использовании кондиционера. Таких расходов можно избежать, если интегрировать энергоэффективное освещение система, которая также создает источник электрического тепла.^[2]

Тепловые насосы

В тепловом насосе используется компрессор с электрическим приводом для работы холодильного цикла, который отбирает тепловую энергию из наружного воздуха, грунта или грунтовых вод и перемещает это тепло в обогреваемое пространство. Жидкость, содержащаяся в испарителе теплового насоса, кипит при низком давлении, поглощая тепловую энергию из наружного воздуха или земли. Затем пар сжимается компрессором и подается по трубопроводу в змеевик конденсатора внутри здания, где его нужно обогреть. Тепло от горячего плотного газа поглощается воздухом в здании (а иногда также используется для горячего водоснабжения), заставляя горячую рабочую жидкость снова конденсироваться в жидкость. Оттуда жидкость под высоким давлением возвращается в секцию испарителя, где она расширяется через отверстие в секцию испарителя, завершая цикл. В летние месяцы цикл можно изменить на противоположный, чтобы отвести тепло из кондиционированного помещения в наружный воздух.

Тепловые насосы могут получать низкопотенциальное тепло из наружного воздуха в мягком климате. В районах со средней зимней температурой значительно ниже нуля, грунтовые тепловые насосы более эффективны, чем воздушные тепловые насосы потому что они могут извлекать остаточное солнечное тепло, хранящееся в земле при более высоких температурах, чем из холодного воздуха.^[3] По данным США EPA, геотермальные тепловые насосы позволяет снизить потребление энергии до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим нагревом сопротивлением.^[4] Высокая закупочная цена теплового насоса по сравнению с резистивными нагревателями может быть компенсирована, если: кондиционер тоже нужен.

Жидкостное отопление

Погружной нагреватель

Малый бытовой погружной нагреватель, 500 Вт

Погружной нагреватель имеет электрический резистивный нагревательный элемент, заключенный в трубку и непосредственно помещенный в воду (или другую жидкость) для нагрева. Переносные погружные нагреватели могут не иметь регулирующего термостата, так как они предназначены для кратковременного использования под контролем оператора.

Для горячего водоснабжения или промышленного горячего водоснабжения - стационарные нагревательные элементы в изолированном помещении. бак для горячей воды может использоваться под контролем термостат регулировать температуру. Бытовые единицы могут быть оценены всего в несколько киловатт. Промышленные водонагреватели могут достигать 2000 киловатт. Там, где доступны внепиковые тарифы на электроэнергию, горячая вода может храниться для использования в случае необходимости.

Электрический душ а в безбаквальных нагревателях также используется погружной нагреватель (экранированный или открытый), который включается потоком воды. Группа отдельных обогревателей может быть переключена на разные уровни нагрева. Электрические души и безбаквальные 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 закупорить поток воды. Техническое обслуживание водонагревательного оборудования может потребовать периодического удаления накипи и отложений. Там, где водоснабжение, как известно, является высокоминерализованным, масштабное производство можно уменьшить за счет использования нагревательных элементов с низкой плотностью мощности.^[5]

Циркуляционные нагреватели

Циркуляционные нагреватели или «прямые электрические теплообменники» (DEHE) используют нагревательные элементы, вставленные непосредственно в среду «на стороне корпуса», чтобы обеспечить эффект нагрева. Все тепло, вырабатываемое электрическим циркуляционным нагревателем, передается среде, таким образом, электрический нагреватель имеет 100-процентный КПД. Прямые электрические теплообменники или «циркуляционные нагреватели» используются для нагрева жидкостей и газов в промышленных процессах.^[6][7]

Электродный нагреватель

В нагревателе электрода нет сопротивления намотки проволоки, и сама жидкость действует как сопротивление. Это потенциально опасно, поэтому правила, регулирующие нагреватели электродов, строги.

Экологические аспекты и аспекты эффективности

Эффективность любой системы зависит от определения границ системы. Для потребителя электроэнергии эффективность электрического отопления помещений составляет 100%, поскольку вся покупная энергия преобразуется в тепло. Однако если электростанция электричество включено, общий КПД резко падает. Например, электростанция на ископаемом топливе может поставлять только 3 единицы электроэнергии на каждые 10 единиц высвобожденной энергии топлива. Несмотря на то, что электрический нагреватель эффективен на 100%, количество топлива, необходимое для выработки тепла, больше, чем если бы топливо было сожжено в печь или же котел в отапливаемом здании. Если бы одно и то же топливо можно было использовать для отопления помещений потребителем, было бы более эффективно сжигать топливо в здании конечного пользователя. С другой стороны, замена электрического отопления обогревателями, работающими на ископаемом топливе, не является необходимым благом, так как лишает возможности использовать возобновляемое электрическое отопление, этого можно достичь, получая электричество из возобновляемых источников.

Различия между странами, производящими электроэнергию, влияют на озабоченность по поводу эффективности и окружающей среды. В 2015 году Франция вырабатывала только 6% своей электроэнергии из ископаемых видов топлива, в то время как Австралия производила более 86% электроэнергии из ископаемых видов топлива.^[8] Чистота и эффективность электричества зависят от источника.

В Швеция По этой причине использование прямого электрического отопления было ограничено с 1980-х годов, и есть планы полностью отказаться от него - см. Поэтапный отказ от нефти в Швеции - пока Дания по аналогичным причинам запретил установку прямого электрического отопления помещений в новостройках.^[9]В случае новостроек, методы строительства с низким энергопотреблением могут быть использованы, что может практически исключить необходимость в нагреве, например, встроенные в Стандарт Passivhaus.

В Квебек Тем не менее, электрическое отопление по-прежнему остается наиболее популярной формой отопления дома. По данным 2003 г. Статистическое управление Канады По данным опроса, 68% домохозяйств в провинции используют электричество для обогрева помещений. Более 90% всей электроэнергии, потребляемой в Квебеке, вырабатывается плотины гидроэлектростанций, которые имеют низкие парниковые газы выбросы по сравнению с электростанции на ископаемом топливе. Низкие и стабильные ставки взимаются Hydro-Québec, коммунальное предприятие, находящееся в провинциальном владении.^[10]

Чтобы обеспечить более эффективное тепло, электрический привод Тепловой насос может повысить температуру в помещении за счет извлечения энергии из земли, наружного воздуха или потоков отходов, таких как отработанный воздух. Это может снизить потребление электроэнергии до 35% от потребляемой резистивным нагревом.^[11]Если основным источником электроэнергии является гидроэлектростанция, атомная энергия или ветер, передача электроэнергии через сеть может быть удобной, поскольку этот ресурс может быть слишком удален для приложений прямого нагрева (за заметным исключением: солнечная тепловая энергия ).

Электрификация тепла помещений и нагрева воды все чаще предлагается как способ обезуглероживания нынешней энергетической системы, особенно с тепловые насосы. В случае крупномасштабной электрификации воздействие на электросеть из-за потенциального увеличения пикового спроса на электроэнергию и воздействия экстремальные погодные условия события необходимо учитывать.^[12]

Экономические аспекты

Во многих регионах эксплуатация электрических резистивных нагревателей для обогрева помещения в течение длительного времени обходится дорого. Однако периодическое или неполное дневное использование может быть более эффективным с точки зрения затрат, чем отопление всего здания из-за превосходного зонального контроля.

Например: столовая в офисе имеет ограниченное время работы. В периоды низкой нагрузки система центрального отопления обеспечивает «контрольный» уровень тепла (50 ° F или 10 ° C). Пиковое время использования с 11:00 до 14:00 подогревается до «комфортного уровня» (70 ° F или 21 ° C). Существенная экономия может быть достигнута в общем энергопотреблении, поскольку потери инфракрасного излучения через тепловое излучение не такие большие с меньшим температурным градиентом как между этим пространством и ненагретым наружным воздухом, так и между холодильником и (теперь более прохладной) столовой.

С экономической точки зрения электрическое тепло можно сравнить с другими источниками отопления дома, умножив местные затраты на киловатт-час электроэнергии на количество киловатт, которое использует обогреватель. Например: нагреватель мощностью 1500 Вт при цене 12 центов за киловатт-час 1,5 × 12 = 18 центов в час.^[13] При сравнении с сжиганием топлива может быть полезно преобразовать киловатт-часы в БТЕ: 1,5 кВтч × 3412,142 = 5118 БТЕ.

Промышленное электрическое отопление

Электрическое отопление широко применяется в промышленности.^[14]

Преимущества методов электрического нагрева перед другими формами включают прецизионный контроль температуры и распределения тепловой энергии, сжигание, которое не используется для выработки тепла, и способность достигать температур, которые нелегко достичь с помощью химического сжигания. Электрический нагрев может быть точно применен в точной точке, необходимой в процессе, с высокой концентрацией энергии на единицу площади или объема. Электрические нагревательные устройства могут быть изготовлены любого необходимого размера и могут быть размещены в любом месте завода. Процессы электрического обогрева обычно чистые, тихие и не выделяют много побочного тепла в окружающую среду. Электронагревательное оборудование имеет высокую скорость отклика, что делает его быстроразвивающимся оборудованием массового производства.

Ограничения и недостатки электрического обогрева в промышленности включают более высокую стоимость электроэнергии по сравнению с прямым использованием топлива, а также капитальные затраты как на сам электрический обогреватель, так и на инфраструктуру, необходимую для доставки большого количества электроэнергии к месту использования. . Это может быть в некоторой степени компенсировано увеличением эффективности на предприятии (на месте) за счет использования меньшего количества энергии для достижения того же результата.

Проектирование промышленной системы отопления начинается с оценки необходимой температуры, количества необходимого тепла и возможных режимов передачи тепловой энергии. Помимо теплопроводности, конвекции и излучения, методы электрического нагрева могут использовать электрические и магнитные поля для нагрева материала.

Методы электрического нагрева включают резистивный нагрев, электродуговый нагрев, индукционный нагрев и диэлектрический нагрев. В некоторых процессах (например, дуговая сварка ) электрический ток подается непосредственно на заготовку. В других процессах тепло вырабатывается внутри детали за счет индукции или диэлектрические потери. Кроме того, тепло может производиться и передаваться на работу за счет теплопроводности, конвекции или излучения.

Промышленные процессы нагрева в широком смысле 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 (выше 1150 ° C. или 2102 ° F). К низкотемпературным процессам относятся: выпечка и сушка, лечение заканчивается, пайка, лепка и формование пластмасс. Среднетемпературные процессы включают плавление пластмасс и некоторых неметаллов для литья или изменения формы, а также отжиг, снятие напряжений и термическую обработку металлов. К высокотемпературным процессам относятся: сталеплавильное производство, пайка, сварка, Кастинг металлы, резка, плавка и приготовление некоторых химикатов.

Смотрите также

Рекомендации