Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava
14. ELEKTRICKÉ TEPLO
Obsah: 1. Úvod 2. Zdroje elektrického tepla 3. Příklady praktické realizace elektrických ohřevů v domácnostech 4. Ceny elektrické energie pro odběratele ze sítí nn - kategorie D (domácnosti) 5. Ceny elektrické energie pro odběratele ze sítí nn kromě domácnosti - kategorie C
Leden 2006
Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Doc. Ing. Václav Vrána, CSc. Ing. Ctirad Koudelka
1
Elektrické teplo
1. Úvod Množství tepelné energie potřebné k ohřevu tělesa o hmotnosti m z teploty ϑ1 na teplotu ϑ 2 (J; Ws) W = m ⋅ c ⋅ (ϑ 2 − ϑ 1 ) kde m .... hmotnost tělesa [kg]
c .... specifické teplo materiálu tělesa c =
1 dW ⋅ m dϑ
(kJ/kg/K )
(u vody je c = 4,18) Fyzikální principy šíření tepla (opakování z fyziky): • prouděním vzduchu (konvekcí) • vedením (kondukcí) • sáláním Elektrický ohřev: Elektrický ohřev je proces, při kterém je přiváděná tepelná energie (potřebná k ohřevu) získávána z elektrické energie T
Wel = ∫ U ⋅ i ⋅ dt 0
(kWh; V, A, hod)
Výhody elektrického ohřevu: • • • • • • •
poměrně vysoká účinnost malá investiční náročnost (oproti plynu, naftě) malé náklady na údržbu (robustnost topných systémů) malé rozměry a tím í nároky na prostor ekologické hledisko (špína, prach ...) dobrá regulovatelnost (přepínáním, pulzním spínáním, řízením napětí) bezpečnost provozu (nepřítomnost plynu, ohně)
Nevýhody elektrického ohřevu: • poměrně vysoká cena elektrické energie oproti jiným formám energie; tento rozdíl se má dále prohlubovat
2. Zdroje elektrického tepla •
elektrický odpor , který bývá většinou v provedení: - topných článků (speciální odporový vodič např. tantal, slitiny chromniklu apod.) - topných kabelů popřípadě vodičů (např. podlahové vytápění místnosti, ochrana potrubí proti zamrzání, venkovní plochy hřišť apod.) - topných fólií - elektrod umístěných ve vodivé kapalině. V případě elektrodového ohřevu kapalin dochází průchodem proudu k vývinu tepla jednak pohybem iontů (Joulovo teplo) a dále slučováním vodíku a kyslíku. Podmínkou je střídavý charakter proudu, čímž dochází k eliminaci rozkladu vody. - materiálu určeného ke spojení (bodové svařování)
2
Elektrické teplo
• elektrický oblouk, jehož doprovodným jevem je silná ionizace v prostoru elektrod doprovázená vysokou teplotou (3000 ÷6000 oC) a plazmou. Vzniku oblouku musí předcházet vedení proudu (např. při krátkodobém spojení nakrátko) s následným oddálením elektrod. 2 Q = Robl ⋅ I obl ⋅t Průtokem proudu oblouku dochází k vývinu tepla Odpor oblouku Robl je nepřímo úměrný jeho délce. K vylepšení V-A charakteristiky (hyperbolický průběh) se používá předřadný odpor. Aplikace v praxi: - obloukové pece (s nezávislým, se závislým a s krytým obloukem) - obloukové svářečky, svařovací stroje - agregáty, - doprovodný nežádoucí jev při každém vypnutí kontaktu, kterým prochází proud, vyžadující intenzivní zhášení tohoto oblouku (např. jeho ochlazováním, prodlužováním) • indukční ohřev Vložením kovového (vodivého) předmětu do střídavého magnetického pole dochází v tomto předmětu k indukování proudů, které jsou v důsledku působení magnetického pole (frekvence - skinefekt) vytlačovány na povrch. Tím zde dochází ke zhušťování proudových siločar a k vývinu Joulova tepla Q = k ⋅ ρ ⋅ f 2 ⋅ B2 ⋅ t závislost proudu i na hloubce vniku x x
i = ip ⋅ e − d
, kde
d = 16 ⋅
ρ µ⋅ f
µ .. permeabilita ohřívaného materiálu ρ .. rezistivita (měrný odpor) (Ω.m) f ... kmitočet (Indukční pece: s Fe jádrem - 50 Hz, bez Fe jádra 500 - 2000 Hz
• ohřev pomocí infrazářičů a sálavých panelů Každé těleso teplejší než absolutní nula vyzařuje do svého okolí zářivou elektromagnetickou energii, která je pohlcována dalšími blízkými tělesy, kde dochází k jejich přeměně v teplo tepelné záření. Využívá se hlavně vlnových délek, které jsou dobře pohlcovány (emitovány). Šíření tepla se řídí zákony geometrické optiky, tzn. že zde platí vztah c=λ.f (c = 300000 km/s). Praktické provedení: - infračervené zářiče - sálavé panely, λ = 5 µm, Na povrchu topných těles (sálavých panelů) je nanesena vrstva latexové hmoty s přídavkem speciálního křemičitého písku a s navulkanizováním zaručující velmi dobrou emisivitu tepelného záření (97 % emisivity absolutně černého tělesa). Pro člověka se jeví jako nejpříznivější vlnové délky 7,5 ÷ 10 µm. Tepelná pohltivost člověka je asi 99 %. Tyto sálavé panely jsou původem ze severských zemí. Ve skutečnosti dochází k ohřevu stěn, předmětů, podlahy od kterých je ohříván okolní vzduch. Tepelné záření se odráží a neprochází sklem (okny). Použití sálavých panelů úzce souvisí s tepelnou pohodou, což je pocit závislý na průměrné teplotě vzduchu a okolních stěn (ploch) v místnosti. Tepelná pohoda (TP) se dá vyjádřit vztahem:
3
Elektrické teplo
TP = kde
ϑv + ϑpl 2
ϑv .... teplota vzduchu ϑpl .... teplota okolních ploch
Je zřejmé, že čím je rozdíl teplot menší, tím je lepší tepelná pohoda. Pro běžný návrh panelu pro vytápění dobře izolované místnosti se uvažuje příkon 18 ÷ 30 W/m3. Takto určený instalovaný elektrický příkon je asi o 60 % menší oproti příkonu potřebném k akumulačnímu vytápění. Další výhodou tohoto způsobu je úspora místa (umístění na stěnách stropě apod.). Spektrum elektromagnetického záření:
Elektromagnetické záření je vyzařování a šíření energie ve formě periodických vln, které se mohou šířit i ve vakuu. Vzniká např. při urychlování nabité elementární částice a spočívá v periodických změnách elektrického a magnetického pole. Existují různé druhy elektromagnetického záření, lišící se vzájemně vlnovou délkou. Největší vlnovou délku, a tudíž nejmenší frekvenci i energii mají dlouhé rádiové vlny. Za rádiovými vlnami následuje viditelné světlo, po něm rentgenové a největší frekvenci a energii má záření gama. Této řadě různých typů elektromagnetického vlnění se říká elektromagnetické spektrum.
Kmitočet f - rozhlas, televize, VKV,UKV - mikrovlny - infračervené záření - viditelné záření - ultrafialové - rentgenovo záření - paprsky gamma
(3), 30 kHz ÷3 GHz (3 ÷ 300) GHz) 1010 - 1014 Hz 1014 Hz 1014 ÷ 1016 Hz 1016 ÷ 1019 Hz 1019 ÷ 1024 Hz
Vlnová délka λ 10 km ÷ 0,1 m 100 mm ÷ 1 mm 1 mm ÷ 1 µm 400 nm ÷ 900 nm 400 nm ÷ 10 nm 10 nm ÷ 0,1 nm 10-10 ÷ 10-14 m
Dielektrický ohřev Slouží k ohřevu elektricky nevodivých materiálů. Množství vyvinutého tepla je přímo úměrné napětí, kmitočtu , vlastnostech materiálu (ztrátový úhel delta a permitivita) a nepřímo úměrný vzdálenosti elektrod. Praktické použití je v dřevárenském průmyslu a pro ohřev plastických hmot. Zvláštním druhem je mikrovlnný ohřev. Mikrovlnné trouby (obsahují elektronku a magnetron k výrobě a vysílání mikrovln, rozptylovač a odrazné plochy uvnitř aktivního prostoru trouby. Elektronový ohřev Elektronový paprsek je tvořen z volných elektronů získaných ze žhavené katody. Anodu tvoří buď tavený materiál (u pecí) nebo je samostatná a tvoří urychlovací prostředek pro
4
Elektrické teplo
elektronové paprsky dopadající na ohřívaný materiál. Použití je zejména v hutnickém průmyslu. Předností je možnost řízení a čistoty provozu.
Ohřev pomocí laserů Ohřívaný materiál pohlcuje laserové paprsky, jejichž energie se mění absorpcí v teplo. Vlastní absorpce je nepřímo úměrná vlnové délce a elektrické vodivosti materiálu. Použití je v lékařství, ve vojenské technice a v průmyslu (např. svařování, opracování, vrtání, řezání).
3. Příklady praktické realizace elektrických ohřevů v domácnostech Ohřev užitkové vody Druhy ohřívačů • velkoobjemové akumulační (bojlery) výhody: relativně malý příkon nevýhody: nízká účinnost (ztráty 1 W/1 l vody) • maloobjemové průtokové (střední průtok) • průtokové (bez zásobníku) Provedení ohřívačů: - odporové (konstantní výkon) - elektrodové (výkon je závislý na vodivosti - teplotě vody) výhody: nedochází k usazování vodního kamene, dobrá (maximální) účinnost a možnost řízení, malé rozměry, žádná údržba nevýhody: vodivost je způsobena přísadami, obtížné řízení Tabulka oteplení vody v závislosti na instalovaném příkonu topného tělesa a nastaveném průtoku (množství) vody O t e p l e n í ∆ϑ (oC) Průtok vody [ l/min] Příkon: 3,5 kW 5 kW 7 kW
1 50
1,5 33 48
2, 25 36 50
2,5 20 29 40
Elektrické vytápění prostorů: Vytápěný objekt je nutno posuzovat jako energetický systém. Vytápění prostorů je z energetického hlediska náhrada ztrát vzniklých: - prostupem tepla cca 80 % (zdmi 25 % , okny 20 %, stropem 20 % , podlahou 15 %) - provzdušností tj. větráním cca 20 % (netěsností spár oken a dveří, cílené větrání za účelem odvodu vlhkosti). Při vhodném zateplení míst, kde dochází k největším tepelným ztrátám lze dosáhnout značných úspor elektrické energie a tím i nákladů na vytápění (až 20 %). S ohledem na skutečnost, že elektrická energie k vytápění prostor je a bude z ekologických druhů energií (např. plyn) nejdražší je nutno věnovat otázce zateplení velkou pozornost. Roční spotřeba elektrické energie na vytápění by neměla přesahovat hodnotu 60 kWh/m2. Každá změna teploty (v okolí teploty 20 oC) si vyžádá asi změnu tepelného příkonu o 20 %. Základním měřítkem při hodnocení objektů pro elektrické vytápění je dodržení tzv. měrných tepelných ztrát.
5
Elektrické teplo
Tabulka doporučených hodnot měrných příkonů (Pro běžný návrh panelu pro vytápění dobře izolované místnosti se uvažuje příkon 18 ÷ 30 W/m3. Takto určený instalovaný elektrický příkon je asi o 60 % menší oproti příkonu potřebném k akumulačnímu vytápění. Další výhodou tohoto způsobu je úspora místa (umístění na stěnách stropě apod.).
ϑi = 20°C
ϑe = -15°C
vytápěný prostor (m3) do 100 101 ÷ 500 501 ÷ 1000
max. měrný příkon vytápěné soustavy (W/m3) akumulační přímotopná 115 110 90
45 32 25
V případě nepřekročení příkonu k vytápění těchto doporučených hodnot vytápění hospodárném.
hovoříme o
Typy elektrických topných soustav Topné soustavy lze rozdělit podle řady kritérií (velikost, provedení, míra akumulace, způsob a směr šíření tepla, teplota sdílené plochy). Rozdělení dle míry akumulace tepla - provedení: • akumulační pracovní režimy: nabíjecí doby (obvykle v noci) - nižší účinnost, doby topeni (obvykle ve dne), akumulační (nabíjecí media): voda, magnesit, beton; v provedení: kamna, bloky, teplovodní systémy, • přímotopné - odběr elektrické energie a uvolňování tepla jsou současné - vysoká účinnost; v provedení: konvektory, podlahové systémy, teplovzdušné, sálavé panely, sálavé stropy (stěny), infrazářiče, elektrické kotle UT, teplovzdušné systémy. Řízení se provádí buď podle prostorových termostatů, nebo v závislosti i na venkovní teplotě, • poloakumulační (smíšené) - kombinace akumulačního a přímotopného systému v provedení: hybridní kamna, kotle, kombinace akumulace a přímotopů, • kogenerační jednotka - je zařízení, které spalováním paliva ve spalovacím motoru, který pohání elektrický generátor, vyrábí současně elektrickou energii a teplo. Elektrická energie je vyráběna v generátoru, tepelnou energii získáváme z chlazení spalovacího motoru, mazacího oleje a spalin. Kombinovanou výrobou tepla a elektřiny se efektivně využívá primárních zdrojů energie - paliv. Pouze cca 15 % připadá na ztráty. Při klasické výrobě elektrické energie v elektrárnách je vznikající teplo bez dalšího využití vypouštěno do okolí. Výroba obou forem energie je spolu pevně spjata a je dán poměr mezi jejich množstvím. Jako palivo pro spalovací motor kogenerační jednotky se používá zemní plyn, různé druhy bioplynu s vyšším obsahem metanu (např. kalové plyny z čistíren odpadních vod, skládkové plyny), uhelný plyn, butan, propan, nízkovýhřevný plyn získaný zplyňováním biomasy, kapalný plyn, motorová nafta, benzín atd. Výhody využití kogenerační jednotky: • při vlastní spotřebě tepla a elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám. • využíváním odpadního tepla při výrobě elektrické energie dochází až ke 40% úspoře paliva ve srovnání s tradičními technologiemi. • vysoká efektivita využití paliva na 80% až 85%. Z toho připadá 30 až 35% na elektrickou energii 65 - 70% na teplo. • kogenerační jednotky produkují nízké emise škodlivin ve srovnání s uhlím.
6
Elektrické teplo
•
přebytky vyrobené elektrické energie výrobce může prodávat do veřejné rozvodné sítě na základě smluvního vztahu s distribuční společností (majitelem rozvodné sítě elektřiny) a tím může výrazně ovlivnit návratnost vložených finančních prostředků. Nevýhody využití kogenerační jednotky: • poměrně vysoké investiční náklady na zařízení. • návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobeného tepla a elektrické energie. • nutnost zajistit ochranu proti hluku. Rozdělení dle způsobu předávání tepla: • Elektrické teplovodní vytápění
K předávání tepla do jednotlivých prostor se používá mezičlánek - voda, což zhoršuje celkovou účinnost topného systému .Vhodnost při rekonstrukcích (náhradách ekologicky závadných systémů na pevná paliva přímotopným elektrickým kotlem). Při návrhu nových systému je investičně i provozně výhodnější přímé elektrické vytápění (bez mezičlánků). • Přímé elektrické vytápění:
Realizace pomocí konvektorů - topný odpor, plášť, termostat, (ventilátor) • Sálavé topné panely (s vybavením termostaty popřípadě s časovým spínačem)
Rozdělení podle způsobu šíření tepla: - stropní (sálavé) - konvektorové - podlahové - kombinované (smíšené) - vysoký standart
4. Ceny elektrické energie pro odběratele ze sítí nízkého napětí kategorie D (domácnosti) (platné od 1. 5. 2004) jistič
sazba
D 01
D 02
D 24
D 25
D 35
D 45
D 55
D 61
jistič do 3x10 A, do 1x25 A
17,00
34,00
119,00
73,00
140,00
193,00
88,00
17,00
jistič nad 3x10 A do 3x16 A
27,00
54,00
190,00
117,00
224,00
309,00
141,00
27,00
jistič nad 3x16 A do 3x20 A
34,00
68,00
238,00
146,00
280,00
386,00
176,00
34,00
jistič nad 3x20 A do 3x25 A
43,00
85,00
298,00
183,00
350,00
483,00
220,00
43,00
jistič nad 3x25 A do 3x32 A
54,00
109,00
381,00
234,00
448,00
618,00
282,00
54,00
jistič nad 3x32 A do 3x40 A
68,00
136,00
476,00
292,00
560,00
772,00
352,00
68,00
jistič nad 3x63 A
1,70/A
3,40/A
11,90/A
7,30/A
14,00/A
19,30/A
8,80/A
1,70/A
vysoký tarif (VT) Kč/kW
3,90
3,14
3,64
3,25
3,37
3,38
3,38
6,42
1,10
0,93
0,99
1,07
0,98
1,60
jednotarif
jednotarif
nízký tarif 8 hodin
nízký tarif 8 hodin
nízký tarif 16 hodin
nízký tarif 20 hodin
nízký tarif 22 hodin
nízký tarif o víkendech
nízký tarif (NT) Kč/kW
7
Elektrické teplo
pro malou spotřebu
pro střední spotřebu
nejsou omezující podmínky
8
musí být instalován akumulační spotřebič, který musí být v době platnosti VT blokován
musí být instalováno elektrické vytápění objektu, akumulační spotřebiče musí být v době platnosti VT blokovány
musí být instalován přímotopný spotřebič, který musí být v době platnosti VT blokován
pro tepelná čerpadla, topné elektrické spotřebiče musí být v době platnosti VT blokovány
nízký tarif od pátku 12,00 hodin do neděle 22,00 hodin
Elektrické teplo
5. Ceny elektrické energie pro odběratele ze sítí nízkého napětí kromě domácnosti - kategorie C (platné od 1. 5. 2004) jistič
sazba
C 01
C 03
C 24
C 25
C 35
C 45
C 55
C 62
jistič do 3x10 A, do 1x25 A
17,00
370,00
218,00
123,00
325,00
376,00
102,00
78,00
jistič nad 3x10 A do 3x16 A
27,00
592,00
349,00
197,00
520,00
602,00
163,00
125,00
jistič nad 3x16 A do 3x20 A
34,00
740,00
436,00
246,00
650,00
752,00
204,00
156,00
jistič nad 3x20 A do 3x25 A
43,00
925,00
545,00
308,00
813,00
940,00
255,00
195,00
jistič nad 3x25 A do 3x32 A
54,00
1184,00
698,00
394,00
1040,00
1203,00
326,00
250,00
jistič nad 3x32 A do 3x40 A
68,00
1480,00
872,00
492,00
1300,00
1504,00
408,00
312,00
jistič nad 3x63 A
1,70/A
37,00/A
21,80/A
12,30/A
32,50/A
37,60/A
10,20/A
7,80/A
vysoký tarif (VT) Kč/kW
3,90
2,42
3,64
3,25
3,37
3,38
3,38
1,32
1,10
0,93
0,99
1,07
0,98
nízký tarif (NT) Kč/kW jednotarif
jednotarif
nízký tarif 8 hodin
nízký tarif 8 hodin
nízký tarif 16 hodin
nízký tarif 20 hodin
nízký tarif 22 hodin
pro malou spotřebu
pro vyšší spotřebu
nejsou omezující podmínky
musí být instalován akumulační spotřebič, který musí být v době platnosti VT blokován
musí být instalováno elektrické vytápění objektu, akumulační spotřebiče musí být v době platnosti VT blokovány
musí být instalován přímotopný spotřebič, který musí být v době platnosti VT blokován
pro tepelná čerpadla, topné elektrické spotřebiče musí být v době platnosti VT blokovány
9
speciální sazba pro veřejné osvětlení
Elektrické teplo
