Снижение расхода электроэнергии в электроустановках зданий - Электропотребление квартир

Более 50 % населения нашей страны обеспечивается горячей водой от централизованных источников: ТЭЦ, районных, квартальных и домовых котельных. Для получения горячей воды применяют также индивидуальные водонагреватели на газообразном и твердом топливе. Для кипячения воды кроме кухонных плит применяют электрические приборы: электрочайники, электросамовары, электрокофейники и погружные кипятильники. Последние представляют собой ТЭН в герметичном исполнении, конструктивно согнутый в виде спирали. Промышленность выпускает погружные кипятильники мощностью от 300 до 2000 Вт. Особенностью этих кипятильников является высокий КПД (98%), что определяет минимальный расход электроэнергии по сравнению с другими приборами для кипячения воды. Погружные кипятильники ввиду их низкой стоимости находят широкое применение в домах без централизованного горячего водоснабжения и с колонками на твердом топливе. Наиболее распространены в быту для хозяйственных нужд кипятильники мощностью 1 и 2 кВт.
В электрочайниках, самоварах и других подобных приборах современной конструкции ТЭН расположен в нижней части сосуда для воды. Это обусловливает их высокий КПД, не ниже 80—85 %.
В квартирах с электроплитами воду кипятят в обычных чайниках на конфорках: КПД современных конфорок— 65—70 %. Однако КПД нормируют для строго определенных условий. Так, диаметр испытательного сосуда должен быть равен диаметру конфорки, утолщенное дно сосуда механически обработано, количество воды — 300 г на каждые 100 Вт мощности конфорки. Измерение КПД проводят дважды: при нагреве воды на холодной конфорке и на предварительно разогретой и определяют как среднее этих двух измерений. Таким образом, КПД конфорки — понятие условное. При другом количестве воды и площади дна сосуда КПД нагрева воды будет иным. Поэтому при установке в квартирах стационарных электроплит с точки зрения экономии электроэнергии целесообразно иметь дополнительный прибор для кипячения воды. Если предположить, что семья кипятит ежедневно 4 л воды при начальной температуре 20 °C, то расход электроэнергии при нагреве воды на электроплите с КПД 60 % составит 0,62 кВт-ч, в электрочайнике — 0,44 кВт-ч, с помощью погружного кипятильника — 0,4 кВт-ч.
Для получения горячей воды для хозяйственных нужд и личной гигиены применяют стационарные электроводонагреватели (ЭВН). Они подразделяются на проточные и емкостные.
Проточные ЭВН (ПЭВН) предназначены для нагрева воды при ее непосредственном использовании в процессе нагрева. Для получения высоких температур и расходов горячей воды нагреватели таких приборов должны иметь значительную мощность. Так, получение воды с температурой 70 °C и расходом 0,5 л/мин требует установки нагревателя мощностью 3 кВт. Применение ПЭВН большой мощности требует усиления внутриквартирных, внутридомовых и в меньшей степени внешних электрических сетей, что определяется небольшим коэффициентом их использования.
Емкостные ЭВН (ЕЭВН) имеют рабочий бак, в котором происходит постепенный нагрев воды. По времени использования нагретой воды ЕЭВН в свою очередь делятся на быстродействующие (БЭВН) и аккумуляционные (АЭВН). Быстродействующие электроводонагреватели— приборы с вместимостью бака 5—10 л, в котором происходит сначала нагрев воды и вслед за этим ее полное расходование (табл. 2.6); АЭВН представляет собой прибор, бак которого имеет слой теплоизоляции, что обеспечивает длительный нагрев воды с высоким КПД и затем ее длительное сохранение в нагретом состоянии.
Таблица 2 6 Параметры емкостных электроводонагревателей

Наличие теплоизоляции обеспечивает снижение температуры нагретой воды после отключения АЭВН от сети не более чем на 0,7°С/ч. В АЭВН вместимостью 40—100 л в качестве нагревателей применены ТЭН мощностью 1,25 и 2 кВт.
Аккумуляционные электроводонагреватели принципиально отличаются от проточных и емкостных ЭВН. Нагрузка двух последних видов ЭВН попадает в максимум нагрузки энергосистем, вызывая необходимость увеличения генерирующих мощностей и усиления всех звеньев системы электроснабжения. Короткое время использования ПЭВН и БЭВН увеличивает неравномерность графика электрической нагрузки, ухудшая экономические показатели работы электрических сетей.
Аккумуляционные электроводонагреватели могут потреблять электроэнергию в ночные или дневные часы снижения нагрузки городских электросетей и энергосистемы. Недостатком АЭВН является ограничение расхода горячей воды в сутки заранее установленным объемом бака. Этот недостаток можно частично устранить, встроив в бак АЭБН дополнительный нагреватель, который включается для быстрого нагрева части воды и в дневные часы. Блокируя АЭВН с элементами электроплиты, можно обеспечить снижение нагрузки и, следовательно, сечения групповой линии питания АЭВН и электроплиты. Однако в распределительной сети 0,38 кВ и выше влияние блокировки будет существенно меньше, так как нагрузка в элементах электрической сети определяется прежде всего расходом электроэнергии, который при установке АЭВН возрастет в 2,5 раза.
По рабочему давлению и способу присоединения к водопроводной сети ЕЭВН подразделяют на ЕЭВН высокого, низкого и атмосферного давления, а также с питанием через промежуточный бак. Емкостные ЭВН высокого давления присоединяют к водопроводной сети через специальную защитно-регулировочную арматуру. Эти приборы могут обслуживать несколько точек разбора горячей воды. Уровень воды регулируют одним или несколькими вентилями в сливной системе воды.
Таблица 2.7. Параметры аккумуляционных электроводонагревателей

В ЕЭВН с питанием через промежуточный бак (резервуар) уровень воды также регулируют. Такие ЕЭВН имеют в баке специальное отверстие, которое осуществляет связь бака с атмосферой. Отверстие расположено так, что излишки воды из бака могут возвращаться в питающий резервуар. В ЕЭВН низкого давления уровень воды регулируют вентилем на входе холодной воды. При этом излишек воды может вытекать из прибора через слив. В ЕЭВН атмосферного давления бак связан с атмосферой так, что ни при каких условиях эксплуатации давление на поверхности воды не отличается от атмосферного. В табл. 2.6 приведены типы ЕЭВН, разработанные в стране. Условные обозначения приборов: У — аккумуляционного типа, Н—низкого давления, А— атмосферного давления, С — настенный, Б — быстродействующий, П — для установки на полу.
В настоящее время наибольшее распространение в быту имеют настенные АЭВН низкого давления типа УНС. Их технические параметры приведены в табл. 2.7.
Электроводонагреватели устанавливают на кронштейнах корпуса на стенах квартиры: УНС-100 — на четырех, а УНС-10, УНС-40 и УНС-60 — на двух заделанных в стену анкерных болтах с гайками.
Устройство УНС-100 показано на рис. 2.4, а. Электроводонагреватели присоединяют к водопроводной сети непосредственно через штуцер 4. При этом на подводящей водопроводной трубе перед штуцером ЭВН должны быть установлены проходной и обратный проходной клапаны. В нижней части ЭВН расположен фланец, на котором крепят ТЭН 7 и трубку 8 и в который вставлен термоконтактор. Температуру воды в баке 2 на уровне 85 °C поддерживает термоограничитель 6. При отсутствии воды в баке термоограничитель отключает ТЭН от сети. Теплоизоляция 1 обеспечивает длительное сохранение горячей воды. Загорание сигнальной лампы 5 свидетельствует о рабочем режиме ЭВН. Получение горячей воды из водонагревателя происходит в результате вытеснения ее из бака через трубку 3 холодной водой, поступающей в бак снизу.
Принципиальная электрическая схема ЭВН типа УНС-100 показана на рис. 2.4, б. При включении выключателя электронагревателя срабатывает реле К и своими контактами подключает ТЭН к сети. При нагреве воды до 85 °C ртутный термоконтакт термоограничителя КК замыкается, шунтируя обмотку реле К. Реле обесточивается, и ТЭН отключается от сети. Предохранители защищают ЭВН от сверхтоков.
Подключение ЭВН 2 (рис. 2.5) с термоограничителем 4 к электрической сети осуществляют в соответствии с «Правилами устройств электроустановок».
Рис. 2.4. Аккумуляционный электронагреватель типа УНС-100: а - конструктивная схема; б — принципиальная электрическая схема

Рис. 2.5. Схема подключения АЭВН к внутридомовой электросети
Электроводонагреватель включают в отдельную внутриквартирную групповую линию трехфазной питающей сети АВС с зануляющим проводом 3, сечение которого принимают равным сечению фазного провода. Зануляющий провод присоединяют к стояку внутридомовой электросети до отключающего аппарата Q1 перед счетчиком 1, установленным на квартирном или этажном щитке 5. К ЭВН зануляющий провод присоединяют к винту заземления на фланце ЭВН, отмеченному условным знаком «заземление». Групповая линия питания ЭВН защищается автоматическим выключателем Q2, установленным на квартирном или этажном щитке.

Установки АЭВН с нагревателями относительно небольшой мощности обычно не требует увеличения мощности ввода в квартиру, рассчитанного на пользование другими электроприборами. При значительной насыщенности квартиры различными электроприборами АЭВН должен включаться в периоды, когда другие приборы не используются, в первую очередь в ночные часы.
Потребление электроэнергии ЭВН при их правильной эксплуатации пропорционально количеству потребляемой воды, нагретой до рабочей температуры. Среднее потребление электроэнергии для нагрева 10 л воды до 85 °C — около 1 кВт-ч, на приготовление ванны — 6—8 кВт-ч, а на один душ— 1,5—2,5 кВт-ч. Среднегодовой расход электроэнергии ЭВН для семьи из 3—4 чел.— 3000 кВт-ч.
Электрические сети существующих жилых зданий не рассчитаны на массовое применение ЕЭВН, поэтому их установка может осуществляться только в незначительном числе квартир (в пределах 2—5 %). При централизованной установке ЭВН в доме при наличии техникоэкономического обоснования необходима разработка специального проекта электроснабжения здания начиная от распределительного пункта (РП) или трансформаторной подстанции (ТП). Электроводонагреватель устанавливают только с разрешения энергоснабжающей организации.

Повсеместное внедрение ЭВН в жилых домах в настоящее время и на перспективу до 1990 г. экономически нецелесообразно, так как это связано с большим электропотреблением ЭВН и необходимостью усиления электрических сетей. Однако в ряде районов страны со сложными климатическими условиями и затрудненной доставкой топлива, в ряде южных районов уже сегодня внедрение ЭВН может быть подтверждено экономическими расчетами.
Инструкция СН 544—82 регламентирует удельные электрические нагрузки жилых домов только при установке в квартирах стационарных электроплит. Установка более энергоемкого электротехнического оборудования, прежде всего электроводонагревателей, нормами не предусмотрена. В связи с. отсутствием отечественных опытных данных по реальным нагрузкам, создаваемым ЭВН различных типов, оценим уровни их электрической нагрузки аналитически на основе расчета коэффициентов спроса.
Расчетная нагрузка от ЭВН в элементах сети, питающих 30 и более водонагревателей, может быть получена из уравнения (2.2).
Средняя вероятность включения ЭВН может быть найдена по (2.1) при Т=24ч.
Для числа ЭВН меньше 30 вероятность одновременной работы не более I водонагревателей из общего числа установленных k определяется по биноминальному закону по формуле
(2.3)
где F (l, к)—вероятность одновременной работы не более l ЭВН из общего их числа k.
Удельные расчетные нагрузки, создаваемые ЭВН (табл. 2.8), рассчитаны для двух вариантов нагрева воды: на санитарно-гигиенические и хозяйственные нужды и только на хозяйственные нужды. Расход воды на хозяйственные нужды принят равным 8 л/чел в сутки при температуре 65 °C, что при средней расчетной численности семьи 3,6 чел. соответствует суточному расходу электроэнергии 1,86 кВт-ч. Для АЭВН вместимостью 100 и 200 л при средней численности семьи 3,6 чел. суточный расход электроэнергии составляет 8,75 кВт·ч (АЭВН-100) и 17 кВт-ч (АЭВН-200), что соответствует расходу воды 38 и 80 л/чел в сутки при температуре 65 °C.

Таблица 2.8. Удельные расчетные нагрузки в элементах трехфазной сети, создаваемые ЭВН, кВт

Примечание. W— суточный расход электроэнергии.

Электрические нагрузки АЭВН определены для двух режимов включения: принудительного ночного и свободного в течение суток, быстродействующих АЭВН для хозяйственных нужд — только для свободного режима включения в течение рабочего дня с 6 до 21 ч (Т= 15 ч).
Приведенные нагрузки от ЭВН должны суммироваться с нагрузкой, создаваемой остальными бытовыми приборами, в зависимости от режима работы ЭВН. Коэффициент совпадения нагрузки квартир с нагрузкой ЭВН должен быть определен экспериментально, на основе исследований реальных домов с повышенным уровнем электрификации быта. Для предварительных расчетов можно полагать, что коэффициент несовпадения максимумов равен 0,9 для часов вечернего максимума.