Експеримент: Електричний бойлер підігріває воду тільки у нічний час, скільки це коштує ?

Що ефективніше?

У часи збільшення вартості енергоресурсів, виникає питання, а що скільки коштує? Що ефективніше?
Наприклад, ми кип'ятимо воду у електричному чайнику, ми можемо досить просто підрахувати скільки затрачено енергії і вирахувати витраченні кошти - знаючи тариф, час роботи приладу, і його характеристики. Так як прилад працює певно визначений час, і потужність не змінюється то це є стала формула.
Але у реальних умовах присутні певні змінні умови котрі не дають точно підрахувати скільки затрачено енергоресурсів.
Ось такі можуть бути змінні: 

• Багато тарифна тарифікація на енергоресурс. 
• Час підігріву залежить від початкової температури води, що залишилася з попереднього використання. 
• Від температури холодної води, що з дня до дня може бути трохи іншою. 
• Похибкою роботи автоматики що вимикає та вмикає підігрів.
• Значення напруги у електромережі у різний час доби.

Мета

Так метою цього експерименту є підігрів холодної води за допомогою електричного бойлера ємністю 100л, та визначення затраченої електричної енергії.

Умови  експерименту

• Термін дії експерименту: 7 діб. 
• Час вмикання бойлера один раз на добу з 3-00 до 7-00 год, за допомогою електронного таймеру.
• Підігрів води до 68°С. Бойлер має електронну систему керування температурою, тому нагрівач може вимкнутися раніше ніж 7 година ранку. Все залежить від залишкової температури.
• Температура холодної води 18°С
• Температура навколишнього середовища 20°С
• Двох тарифна тарифікація електроенергії, станом на жовтень 2016 року. Україна.
• Використання підігрітої води протягом дня сім'єю з 3-х осіб.

Ватметр

Для вимірювання спожитої електроенергії використано пристрій - ватметр: "Electronic Energy Meter TS-838". Цей пристрій вмикається у електричну розетку, а у пристрій вмикаєтеся безпосередньо пристрій який треба вимірювати. Так як підігрів проводиться тільки у нічний час, використовуєтеся електронний таймер. Таймер вмикає підігрів о 3 годині і закінчує як можна близько до кінця дії нічного тарифу (з 23 до 07 години). Таким налаштуванням забезпечується  зменшення часу коли бойлер працює у режимі збереження підігрітої води протягом доби (акумулятор тепла).

Підключення ватметра та таймера

Підключення налаштовано таким чином: таймер ввімкнуто у ватметр (зелений колір), а до таймера підключено кабель бойлера.
Ватметр має вбудований електронний годинник (є резервне живлення від батарейок), присутнє налаштування для різних тарифів як вартості, так і часу початку дії кожного з тарифів:

Програмування вартості 1 кВт⋅год для тарифу I

Програмування вартості 1 кВт⋅год для нічного тарифу II

Програмування часу початку урахування  тарифу I

Програмування часу початку урахування нічного тарифу II

Робота електронної системи вимірювання температури бойлера.

Ватметр враховує загальне використання спожитої енергії протягом всього часу, а приблизне значення за кожну добу показує у вигляді діаграми за останні 7 днів. Де значення одного ділення бар діаграми може бути 1,5,10 або 15 кВт⋅год. Додатково показує поточні значення: напруга (V), сила струму (A), спожита потужність (W), частота мережі (Hz), та коефіцієнт потужності.  Максимальні значення. А також можна внести максимальне значення для A або W,  якщо його перевищити то буле сигнал сповіщення.
Використання спожитої енергії вираховується з урахуванням коефіцієнту потужності (cos 𐐐), так наприклад у мого холодильника коефіцієнт потужності (cos 𐐐) ~ 0.6, сила струму (A) ~ 1А, напруга 230V, то врахована потужність складатиме :
230V ⋅ 1A ⋅ 0.6 = 138V⋅A.

 Лічильник води

Для вимірювання скільки було використано підігрітої води було встановлено додатковий лічильник холодної води що подається до електричного водонагрівача.

Лічильник холодної води для підігріву

Результати вимірювання 

За 7 днів спожито 29.50 кВт⋅год, що коштувало 19.05 грн.

У середньому це 19.05/29.5=0.6457 грн за 1 кВт⋅год, тобто це 100% тариф II.

За цей період використано 379 л. води.

По дням витрачено за діаграмами приблизно : 5, 5, 3, 2, 4, 5 та 3 кВт⋅год, відповідно.

Загально спожиті кВт⋅год

Загальні витрачені кошти у грн.

День	Дата	Затрачено	∆Затрачено	Вартість	∆Вартість	Залишк. Темп.	Ліч. Води	∆Об’єм
0	04/10/16	0,00 kWh	0,00 kWh	0,00 грн.	0,00 грн.	40 °C	1316,204	0 л.
1	05/10/16	0,00 kWh	0,00 kWh	0,00 грн.	0,00 грн.	29 °C	1316,230	26 л.
2	06/10/16	5,10 kWh	5,10 kWh	3,29 грн.	3,29 грн.	36 °C	1316,313	83 л.
3	07/10/16	10,70 kWh	5,60 kWh	6,94 грн.	3,65 грн.	55 °C	1316,352	39 л.
4	08/10/16	13,81 kWh	3,11 kWh	8,93 грн.	1,99 грн.	56 °C	1316,379	27 л.
5	09/10/16	16,54 kWh	2,73 kWh	10,70 грн.	1,77 грн.	47 °C	1316,444	65 л.
6	10/10/16	21,17 kWh	4,63 kWh	13,68 грн.	2,98 грн.	37 °C	1316,538	94 л.
7	11/10/16	26,42 kWh	5,25 kWh	17,08 грн.	3,40 грн.	53 °C	1316,566	28 л.
8	12/10/16	29,50 kWh	3,08 kWh	19,05 грн.	1,97 грн.	24 °C	1316,583	17 л.

Аналіз

Вартість підігріву складає: 19.05 грн / 0.362 м³  = 52.62 грн за 1 м³ підготовленої води до 68°С.
Якщо приблизно спробувати привести до температури централізованого підігріву води 50°С, то коефіцієнт розбавлення k виведемо через затрачену енергію на підігрів 100 м³  для температур:

1. з 18°С до 50°С. Q₁=100/3600*4.2*(t₂-t₁)=3.7333 кВт⋅год.
2. з 18°С до 68°С. Q₂=100/3600*4.2*(t₂-t₁)=5.8333 кВт⋅год.

k=Q₁/Q₂=0.6399.

C – теплоємність води, С=1,16 Вт*год/кг*°С, = 4.2 кДж/(кг * °С).

Тоді вартість підігріву 1 м³  (50°С) = 52.62*0.6399 = 33.67 грн.
З урахуванням ціни на холодну воду (централізованого постачання холодної води - 6,99 грн/м³ (з ПДВ))³  вартість підготовленої гарячої води об'ємом  1 м³  (50°С) складає: 33.67+6.99=40.66 грн/м³

Тариф на централізоване постачання гарячої води (з урахуванням вартості холодної води): за умови підключення рушникосушильників до систем гарячого водопостачання – 74,67 грн. за 1 м³ (з ПДВ);

 

Висновок

Теоретична економічність складає  74,67/ 40.66 = 1.84 рази.

Якщо користуватися бойлером у нашій сім'ї у такому режимі то в місяць буде витрачено приблизно 85 грн, що еквівалентно 1.14 м³
централізованого постачання гарячої води.

Треба зауважити на реальні умови де потребується зливати воду з гарячого крану, поки піде тепленька вода, це надає додаткові марно витрачені куби води з гарячого крану. Тому порівняти реально не вийде, тільки теоретично.
У реальних умовах можна запропонувати порівняти значення котрі отримані від 4х тарифного лічильника гагачої води, наприклад лічильника ЛВ-4Т .

 

Максимізація

Якщо спробувати максимізувати можливе денне витрачання, використовуючи значення з таблиці за 07/10/2016.

• залишкова температура 36°С.
• використано  83 л, 83/1000*6.99 грн.=0.58 грн.
• на підігрів витрачено ~5.6 кВт⋅год (~3.62 грн).

Вартість 1 м³ (68°С) = 1000/83*3.62 грн. = 43.61 грн.+6.99 грн.=50.6 грн.
1 м³ (50°С)= 50.6 грн * 0.6399=32.37 грн.
Теоретична економічність складає  74,67/ 32.37 = 2.3 рази.

Використання протягом 7 діб буде коштувати 7*(3.62+0.58)= 29.4 грн., а протягом 30 діб = 126 грн.

Теоретична витрачена енергія Q=100/3600*4.2*(t₂-t₁)=3.73 кВт⋅год, а реально 5.6 кВт⋅год.

 

Зима

Але треба зауважити, що експеримент був у жовтні місяці, це вода з холодного крану мала температуру 18°С, а ось взимку вона становить вже десь 6-8°С. 

Хоча потрібно для нагрівання води з 36°С до 68°С, стільки ж, як і раніше. Але води з температурою 68°С для використання буде менше, так як вона буде розбавлятися температурою 6-8°С протягом дня. Тому необхідно буде збільшити температуру нагрівання бойлера, і збільшиться використання коштів.

Затрачена енергія на підігрів 100 м³  для температур:

1. з 18°С до 68°С. Q₁=100/3600*4.2*(t₂-t₁)=5.8333 кВт⋅год.
2. з 7°С до 68°С. Q₂=100/3600*4.2*(t₂-t₁)=7.1166 кВт⋅год.

k=Q₂/Q₁=1.22.
Потрібна температура нагріву бойлера повинна становить 68°С*1.22=83°С.
P.S. Мій бойлер має максимальне значення нагріву 75°С.
Затрачена енергія на підігрів 100 м³ для температури 36°С до 75°С. Q₃=100/3600*4.2*(t₂-t₁)=4.55 кВт⋅год.

 

Статистика

З статистики власного використання за жовтень 2015 року, ми використали з гарячого крану 8.4 м³, де було <40°С : 5.6 м³, а скорегований об'єм води склав 2.1 м³, з використанням лічильника ЛВ-4Т.
Тобто ми сплатили за жовтень 2015 року, за 2.1 м³ гарячої води(включно з холодною), і 5.6 м³ холодної води з гарячого крану. 

Тому ми використовуємо гарячу воду централізованого постачання з використанням лічильника ЛВ-4Т, а бойлер використовуємо як резерв. 
Але тепер можна приблизно порівнювати що і як.

 

Використанні ресурси:

1. UkrEnergoStandart
2. Тарифи на електрику, жовтень, 2016.
3. Тарифи на воду, жовтень, 2016.
4. Тарифи на гарячу воду, жовтень, 2016.
5. 4-х тарифний лічильник гарячої води ЛВ-4Т
6. Скільки енергії споживається з гарячою водою у звичайній сім’ї?
7. Кількість теплоти. Питома теплоємність - Правило свердлика