INCREASING THE LEVEL OF THE HEAT REGIME COMFORT WITH ELECTRIC HEATINGAT NIGHT RATE

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ КОМФОРТНОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ОТОПЛЕНИИ ПО НОЧНОМУ ТАРИФУ

Научная статья

Шумилин Е.В.¹, ^*, Псаров С.А.²

¹ORCID: 0000-0002-3210-1469;

² ORCID: 0000-0002-4368-7848;

^{1, 2} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

* Корреспондирующий автор (002194[at]pnu.edu.ru)

Аннотация

Для снижения платежей при электрическом отоплении необходимо аккумулировать максимально возможное количество теплоты при ночном пониженном тарифе на электроэнергию. При использовании высокоинерционных систем водяного теплого пола при этом может происходить перегрев помещений в дневное время и снижаться уровень комфортности теплового режима. В данной работе произведено динамическое моделирование работы таких систем отопления в течение всего отопительного периода при различных температурных графиках регулирования с определением почасовых показателей уровня комфортности. Впервые определены оптимальные параметры температурного графика теплоносителя в системе отопления водяного теплого пола, при которых будет соблюдаться условие комфортности теплового режима. Также показано, что достижение минимальных уровней платежей за электроотопление сопряжено с нарушением уровня теплового комфорта в течение длительного времени.

Ключевые слова: электроотопление, аккумулятор тепловой энергии, ночной тариф, тепловой комфорт.

INCREASING THE LEVEL OF THE HEAT REGIME COMFORT WITH ELECTRIC HEATING AT NIGHT RATE

Research article

Shumilin E.V.¹, ^*, Psarov S. A.²

¹ ORCID: 0000-0002-3210-1469;

² ORCID: 0000-0002-4368-7848;

^1,2 Pacific National University, Khabarovsk, Russia

* Corresponding author (002194[at]pnu.edu.ru)

Abstract

To reduce payments for electric heating, it is necessary to accumulate the maximum possible amount of heat with a reduced night electricity tariff. With usage of high-inertial water floor heating systems, rooms may overheat during daytime and the level of comfort of the thermal regime may decrease. In this paper, dynamic modeling of the operation of such heating systems during the entire heating period under various temperature control schedules with the determination of hourly indicators of the comfort level is made up. For the first time, the optimal parameters of the temperature schedule of the coolant in the water floor heating system have been determined, at which the condition of the thermal regime comfort will be observed. It is also shown that achieving minimum levels of payments for electric heating is associated with a violation of the level of thermal comfort for a long period of time.

Keywords: electric heating, thermal energy accumulator, night tariff, thermal comfort.

Введение

Снижение платежей при использовании электроотопления зданий является актуальной задачей, т. к. стоимость такого источника тепловой энергии достаточно высока. При достижении уровня тепловой защиты зданий, требуемой по нормам [1], дальнейшее увеличение толщины тепловой изоляции не приводит к существенному снижению потребления энергии на нужды отопления. Другим вариантом снижения платежей за электроэнергию является использование ночного пониженного тарифа на электрическую энергию.

В работе [2] нами рассмотрены годовые балансы тепловых потоков при эксплуатации гибридной системы электроотопления индивидуального жилого дома. Основным элементом рассмотренной системы отопления является водяной теплый пол (ВТП) с электрическим котлом в качестве источника теплоты и аккумулирующей емкостью воды для увеличения эффекта при использовании ночного тарифа. Электрический котел настроен на включение только в часы с пониженным тарифом. Вспомогательными элементами являются резервные электрические конвекторы, автоматически включающиеся при нехватке запасенной энергии в аккумулирующей емкости и системе ВТП. При эксплуатации таких систем отопления возникают существенные колебания температур внутреннего воздуха, ВТП и ограждающих конструкций отапливаемых помещений. Стремление максимально запастись дешевой энергией ночью приводит к избытку тепловой энергии в дневное время. Тепловые потери в окружающую среду днем снижаются из-за роста температуры наружного воздуха. Бытовые теплопоступления и поступления от солнечной радиации, наоборот возрастают. Происходит повышение температуры внутреннего воздуха. По мере теплоотдачи от ВТП происходит расходование аккумулированной тепловой энергии, температура внутреннего воздуха снижается. При достижении нижней границы допустимого диапазона температур внутреннего воздуха автоматически включаются резервные электрические конвекторы. Снижение уровня теплового комфорта при колебаниях температур внутреннего воздуха и радиационной температуры в помещениях является одной из проблем при попытках снизить платежи при электроотоплении.

Другой проблемой, также связанной с избытком тепловой энергии в дневное время, является определение оптимальной температуры теплоносителя в баке-аккумуляторе, при которой необходимо отключать основной электрический котел. В рассмотренном в [2] случае такое определение температуры теплоносителя самими жильцами происходило эмпирическим путем, что приводило, помимо снижения уровня теплового комфорта, к избыточному потреблению электрической энергии.

Учитывая большое количество влияющих на уровень теплового комфорта факторов, поиск оптимальных решений необходимо производить на основе детального моделирования работы системы отопления в течение всего отопительного периода. Цель такого моделирования – определение оптимальных параметров температурного графика теплоносителя в системе отопления при сохранении принятого уровня комфорта теплового режима и минимальных совокупных платежах за электроэнергию.

 

Моделирование работы системы отопления

Оценка уровня комфортности теплового режима обычно производится на основе показателей прогнозируемой средней оценки качества воздушной среды (Predicted Mean Vote) PMV, прогнозируемого процента недовольных температурой среды (Predicted Percentage Dissatisfied) PPD, показателей локального температурного дискомфорта по [3]. Вопросам моделирования работы систем климатизации и оценки уровня комфортности теплового режима посвящены работы [4], [5], [6], [7]. Для уменьшения трудозатрат при определении показателей PMV и PPD используют различные программные продукты [8].

В соответствии с [3] длительная оценка основных условий для температурного комфорта производится путем динамического компьютерного моделирования. Для этих целей нами использовалось свободное программное обеспечение EnergyPlus версии 9.3.0. Данная программа позволяет учитывать основные влияющие на уровень теплового комфорта факторы и достичь поставленных целей моделирования работы системы отопления. Для оценки результатов моделирования использовался наиболее простой «метод А» по приложению H [3]. Суть метода заключается в вычислении процента часов от всех часов отопительного периода, со значением PPD за пределами принятого диапазона. Основываясь на определении термина «оптимальные параметры микроклимата» в [9] в качестве условия для такого диапазона нами выбрано PPD < 20 %. Это означает, что ощущения комфорта должно обеспечиваться не менее чем у 80 % людей, находящихся в помещении.

Геометрические размеры, ориентация в пространстве, характеристики материалов наружных ограждающих конструкций при моделировании в EnergyPlus приняты такие же, как в работе [2]. В модели учитывалось, что системой ВТП оборудованы все помещения двухэтажного индивидуального жилого дома общей площадью 192 м². Базовая конструкция ВТП приведена на рисунке 1. Наружный диаметр пластиковых греющих труб – 20 мм, толщина стенки трубы – 2 мм. Шаг между осями труб –150 мм.

Рис. 1 – Схема расположения слоев водяного теплого пола:
1 – железобетонная плита перекрытия; 2 – утеплитель экструдированный пенополистирол 50 мм;
3 – стяжка пола 50 мм.

Помимо наружных ограждающих конструкций в расчет были добавлены внутренние стены из кирпичной кладки толщиной 120 мм с оштукатуриванием с двух сторон. Общая площадь внутренних стен принята 210 м².

Для моделирования использовались годовые почасовые данные по климату г. Хабаровска, усредненные за пятнадцать лет по измерениям метеостанции в черте города. За отопительный период принят временной отрезок с 6 октября по 27 апреля, что соответствуют продолжительности отопительного периода 204 суток по [10]. Средняя температура наружного воздуха за данный период по архивным данным метеостанции составила минус 9,23 °С. По данным [10] расчетная средняя температура наружного воздуха отопительного периода составляет минус 9,5 °С. Таким образом, относительная погрешность средней разницы температур наружного и внутреннего воздуха при использовании данных метеостанции составит менее 1 %. Остальные принятые при моделировании параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры при моделировании работы системы отопления

Параметр	Ед. измерения	Значение
Температура внутреннего воздуха, при которой включаются резервные электроконвекторы	°С	23
Подвижность внутреннего воздуха	м/с	0,15
Коэффициент теплоизоляции одежды днем	кло	1
Коэффициент теплоизоляции одежды ночью	кло	3
Теплопоступления от одного человека днем	Вт	105
Теплопоступления от одного человека ночью	Вт	70
Количество жильцов	чел.	4
Теплопоступления от бытовых электроприборов в дневное время	Вт	383

Программа EnergyPlus позволяет задавать различные алгоритмы управлением температурным графиком в системе ВТП, симулируя работу контроллера. Нами был выбран вариант с линейной зависимостью температуры нагрева в аккумулирующей емкости Т_ак от температуры наружного воздуха Т_н. Минимальная точка при температуре наружного воздуха + 8 °С принята постоянной Т_ак.мин = + 23 °С для всех графиков. Максимальная точка графиков Т_{ак.макс} при расчетной по [10] температуре наружного воздуха минус 29 °С варьировалась в диапазоне от + 40 до + 52 °С (см. рисунок 2).

Рис. 2 – Температурные графики в EnergyPlus:
Т_ак – температура, поддерживаемая в аккумулирующей ёмкости, °С; Т_н – температура наружного воздуха, °С

Помимо базовой конструкции ВТП с 50 мм слоем утеплителя и 50 мм слоем стяжки (условное обозначение «50+50»), приведенной на рисунке 1, проведено моделирование для конструкции ВТП с 100 мм слоем утеплителя и 100 мм слоем стяжки (условное обозначение «100+100»). Также рассмотрен вариант базовой конструкции ВТП, но с увеличением аккумулирующей емкости с 750 л до 1500 л и увеличением мощности котла с 22 кВт до 27 кВт (условное обозначение «1500 л»).

В результате моделирования указанных температурных режимов определено количество часов с PPD > 20 % – часов некомфортного времени. Зависимость числа часов некомфортного времени по каждому температурному режиму от максимальной температуры Т_{ак.макс} представлена на рисунке 3. Данный график позволяет определить границу появления некомфортных часов при увеличении максимальной температуры в аккумуляторе Т_{ак.макс}.

Рис. 3 – Зависимость часов некомфортного времени от максимальной расчетной температуры
в аккумулирующей ёмкости

Для базового варианта «50+50» при значении Т_{ак.макс}= 43 °С количество часов с PPD > 20 % равно нулю. При увеличении Т_{ак.макс} происходит рост часов с PPD > 20 % с 9 часов при Т_{ак.макс}= 44 °С до 904 часов Т_{ак.макс}= 52 °С. При общем количестве часов отопительного периода 4896 получаем значения некомфортного времени от 0,2 % до 18,5 % для температур от Т_{ак.макс}= 44 °С до Т_{ак.макс}= 52 °С соответственно. Первые некомфортные часы начинают появляться в период с 26 февраля по 22 марта для графиков с Т_{ак.макс}= 44…47 °С, что связано с обилием ясных солнечных дней в это время. При повышении Т_{ак.макс} до 48 °С и выше, некомфортные часы точечно начинают появляться в осенний период. Распределение некомфортных часов по времени суток для графика с Т_{ак.макс} = 48 °С показано на рисунке 4.

Рис. 4 – Распределение некомфортных часов по времени суток для графика с Т_{ак.макс} = 48 °С

Как видно из графика на рисунке 4, перегрев помещений преимущественно происходит при появлении солнечной радиации в дневное время.

Для варианта «100+100» количество часов с PPD > 20 % равное нулю достигается при Т_{ак.макс}= 39 °С. Далее происходит более резкий рост некомфортных часов по сравнению с базовым вариантом.

Для варианта «1500 л» количество часов с PPD > 20 % равное нулю достигается при Т_{ак.макс}= 41 °С. Далее наблюдается средний рост некомфортных часов относительно рассмотренных ранее вариантов.

Для экономической оценки по каждому моделируемому температурному режиму определялись затраты на электроэнергию для ВТП и резервных конвекторов за весь отопительный период с учетом работы в разных тарифных зонах суток. Зависимость общих удельных затрат в рублях в сутки в среднем за отопительный период на 1 квадратный метр площади отапливаемых помещений приведена на рисунке 5. Красной сплошной линией обозначена граница появления некомфортных часов с учетом данных на рисунке 3.

Рис. 5 – Зависимость годовой платы за электроотопление от максимальной
расчетной температуры в аккумулирующей ёмкости

Как видно на рисунке 5, минимальное значение платы за электроэнергию для базового варианта «50+50» достигается при Т_{ак.макс} » 49 °С. Такому графику соответствует число часов с PPD > 20 % равное 494 или 10,1 % от всего времени отопительного периода. Для других рассмотренных вариантов минимум годовой платы за отопление также находится далеко от границы комфорта. Это означает, что при стремлении добиться минимума платы за электроотопление, существенную часть времени потребители будут испытывать дискомфорт, связанный с перегревом помещений. При дальнейшем увеличении Т_{ак.макс} общие затраты на электроэнергию возрастают из-за сильного перегрева помещений и увеличения тепловых потерь.

Для выявления основных причин дискомфорта проанализируем часовые значения Т_ак­ для режима с базовой конструкцией ВТП «50+50» с Т_{ак.макс} = 49 °С, представленные на рисунке 6.

Рис. 6 – Часовые температуры Т_ак в зависимости от температуры наружного воздуха Т_н для режима с Т_{ак.макс} = 49 °С

В облаке точек явно прослеживается линия регулирования с начальной точкой Т_ак.мин= + 23 °С при Т_н = +8 °С и конечной точкой Т_{ак.макс} = 49 °С при Т_н = – 29 °С. При температурах наружного воздуха выше минус 2 °С часть точек расположена выше этой линии. Связано это с тем, что аккумулированная в ночные часы теплота при более низких температурах наружного воздуха не успевает расходоваться при резком потеплении в дневное время.

Максимальное значение температуры в аккумулирующей емкости составило + 42,4 °С при Т_н = – 20,45 °С. Несмотря на работу электрокотла на полную мощность 22 кВт в течение всего ночного тарифа, при более низких температурах наружного воздуха температура воды в аккумулирующей ёмкости не поднимается выше +40 °С из-за более глубокого охлаждения в дневные часы. Динамика температур в аккумулирующей емкости Т_ак, температуры внутреннего воздуха Т_в, задействованных электрических мощностей при средней Т_н = – 26 °С (15 января) приведена на рисунке 7. Как видно из графика, к 23-00 происходит охлаждение воды в аккумулирующей емкости ниже +20 °С, т.е. ниже температуры внутреннего воздуха. Что свидетельствует о недостаточном слое тепловой изоляции 50 мм в конструкции ВТП первого этажа. К окончанию времени ночного тарифа и далее в дневное время перегрева помещений не возникает, дефицит теплоты компенсируется электрическими конвекторами.

Рис. 7 – Динамика температур в аккумулирующей емкости Т_ак, температуры внутреннего воздуха Т_в, задействованных электрических мощностей в течение суток при средней Т_н = – 26 °С для базового варианта «50+50»

Динамика температур в аккумулирующей емкости Т_ак, температуры внутреннего воздуха Т_в, задействованных электрических мощностей при средней Т_н = – 26 °С (15 января) при толщине утеплителя 100 мм и стяжке 100 мм приведена на рисунке 8. Температура внутреннего воздуха на рисунке 7 и на рисунке 8 приводится только для первого этажа. Для второго этажа температура внутреннего воздуха в обоих случаях постоянна и равна 23 °С, что свидетельствует об отсутствии там избытка теплоты.

Рис. 8 – Динамика температур в аккумулирующей емкости Т_ак, температуры внутреннего воздуха Т_в, задействованных электрических мощностей в течение суток при средней Т_н = – 26 °С для варианта «100+100»

Как видно из графика на рисунке 8, дополнительное утепление и увеличенная стяжка пола приводит к меньшему охлаждению воды в аккумулирующей емкости. Температура воздуха на первом этаже не опускается ниже +23,2 °С, следовательно электрические конвекторы включаются только на втором этаже.

Вернемся к базовой конструкции ВТП «50+50» и рассмотрим динамику при более высокой температуре наружного воздуха. На рисунке 9 показана динамика показателей при средней Т_н = – 12,4 °С (10 марта). Как видно из графика на рисунке 9, электрокотел пытается поднять температуру до +40 °С в соответствии с графиком на рисунке 6, т. к. в ночные часы происходит снижение наружных температур воздуха до Т_н = – 17 °С. Днем, из-за более высоких температур наружного воздуха и теплопоступлений от солнечной радиации, существенного охлаждения воды, как на рисунке 7, не происходит. В конечном итоге это приводит к перегреву помещений. В течение 14 часов за рассматриваемые сутки PPD > 20 %.

Рис. 9 – Динамика температур в аккумулирующей емкости Т_ак, температуры внутреннего воздуха Т_в, задействованных электрических мощностей в течение суток при средней Т_н = – 12,4 °С для варианта «50+50»

Заключение

В работе была рассмотрена одна из простых гибридных систем электроотопления с аккумуляцией теплоты в слое теплого пола и аккумулирующей емкости, которая была реализована в эксплуатируемом жилом здании [2].

Динамическое моделирование работы данной системы электроотопления в течение года позволило определить оптимальный температурный график регулирования, при котором будут постоянно соблюдаться комфортные условия (ноль часов с PPD < 20 %).

При стремлении добиться минимума платы за электроотопление, существенную часть времени потребители будут испытывать дискомфорт, связанный с перегревом помещений.

При моделировании определены удельные показатели платы за отопление за 1 м² в средние сутки отопительного периода при различных температурных графиках и вариантах системы ВТП. Показано, что при увеличении аккумулирующей емкости в два раза и мощности котла с 22 до 27 кВт средний удельный показатель платы за электроотопление, при условии постоянного соблюдения комфорта, снизится с 1,09 до 1,00 руб./(м²×сутки), т.е. на 8,2 %. При этом теоретический минимум платы за электроотопление при 100% ночной аккумуляции теплоты и данном уровне тепловой защиты здания составляет 0,82 руб./(м²×сутки). Поэтому совершенствование рассмотренной системы с помощью организации подмеса из обратной линии контура теплого пола и разделения теплового режима теплого пола и аккумулирующей емкости может не привести к желаемому результату. Уменьшение платы за электроотопление может оказаться недостаточным для компенсации затрат на установку дополнительного насосного оборудования и автоматики.

Более существенного снижения платы можно достичь при увеличении слоя утеплителя и слоя стяжки в системе ВТП до 100 мм. В таком случае удельный показатель платы за электроотопление составит 0,90 руб./(м²×сутки), т.е. снижение относительно базового варианта будет уже 17 %.

Конфликт интересов  Не указан.

Conflict of Interest  None declared.