전기 난방

Electric heating
30kW 저항 가열 코일
이 복사 히터는 텅스텐 할로겐 램프를 사용합니다.

전열은 비교적 저렴한 장치를 사용하여 전기에너지를 약 100% 효율로 열에너지로 직접 변환하는 과정입니다.일반적인 용도에는 공간 난방, 조리, 온수 난방 및 산업 프로세스가 포함됩니다.전기 히터는 전류를 [1]열로 변환하는 전기 장치이다.모든 전기 히터 내부의 발열 소자는 전기 저항이며, 줄 난방 원리에 따라 작동합니다. 즉, 저항을 통과하는 전류가 전기 에너지를 열에너지로 변환합니다.대부분의 최신 전기 가열 장치는 활성 소자로 니크롬 와이어를 사용합니다. 오른쪽에 표시된 발열 소자는 세라믹 절연체로 지지되는 니크롬 와이어를 사용합니다.

또는 열 펌프는 주변 지역(주로 공기)의 기존 열 에너지를 전달하는 데만 전력을 사용하기 때문에 약 300%의 난방 효율 또는 3.0 성능 계수를 달성할 수 있습니다.히트 펌프는 전기 모터를 사용하여 냉동 사이클을 구동합니다.이 사이클은 지상 또는 외부 공기(또는 냉장고 내부)와 같은 소스로부터 열에너지를 끌어당겨 그 열을 데울 공간(냉장고의 경우 부엌)으로 보냅니다.이것은 직접 전기 난방보다 전기 에너지를 훨씬 더 잘 사용하지만, 훨씬 더 비싼 장비와 배관을 필요로 합니다.일부 난방 시스템은 에어컨의 경우 역방향으로 작동하여 내부 공간을 냉각하고 더 뜨거운 공기 또는 물을 외부 또는 지상으로 배출할 수 있습니다.

공간 난방

난방은 건물 내부를 따뜻하게 하기 위해 사용된다.우주 히터는 실험실과 같이 공기 조절이 어려운 곳에서 유용합니다.전기 공간 난방에는 여러 가지 방법이 사용됩니다.

적외선 복사 히터

전기 복사 난방기

전기 적외선 복사 난방은 고온에 도달하는 발열체를 사용한다.소자는 보통 전구와 유사한 유리 엔벨로프 안쪽에 포장되어 있으며, 히터 본체에서 나오는 에너지를 반사체와 함께 보냅니다.이 원소는 흡수 표면에 닿을 때까지 공기나 공간을 통과하는 적외선을 방출하며, 여기서 부분적으로 열로 변환되고 부분적으로 반사됩니다.이 열은 공기를 따뜻하게 하는 것이 아니라 방에 있는 사람이나 물건을 직접 따뜻하게 합니다.이러한 유형의 히터는 가열되지 않은 공기가 흐르는 영역에서 특히 유용합니다.또한 스폿 난방이 필요한 지하 및 차고에도 이상적입니다.일반적으로 작업별 난방에 매우 적합합니다.

복사 히터는 저소음 상태로 작동하며 출력의 집중 강도 및 과열 방지가 부족하기 때문에 주변 가구의 점화 위험이 가장 큽니다.영국에서는 이 기구들이 원래 화재를 대체하기 위해 사용되었기 때문에 전기 화재라고 부르기도 한다.

이 섹션에 설명된 히터의 활성 매체는 용융 실리카 튜브 내부의 니크롬 저항 와이어로, 용융 실리카가 끝부분에서 씰링되고 저항 합금이 니크롬이 아닌 모델이 존재하지만,

대류 히터

주요 기사:대류 가열기
전기 대류 가열기

대류 가열기에서 발열체는 열전도에 의해 접촉하는 공기를 가열한다.뜨거운 공기는 찬 공기보다 밀도가 낮기 때문에 부력에 의해 상승하여 찬 공기가 더 많이 유입되도록 한다.그러면 히터에서 상승하는 뜨거운 공기의 대류 전류가 설정되고 주변 공간이 가열되고 냉각된 다음 사이클이 반복됩니다.이러한 히터는 때때로 오일이나 열유체로 채워집니다.밀폐된 공간을 난방하는 데 이상적입니다.방사형 전기 히터에 비해 가구에 의도하지 않은 접촉이 있을 경우 발화 위험이 낮습니다.

팬 히터

주요 기사:팬 히터

강제 대류 히터라고도 불리는 팬 히터는 공기 흐름을 빠르게 하기 위한 선풍기를 포함하는 일종의 대류 히터입니다.팬에 의해 발생하는 큰 노이즈로 동작합니다.가구와 의도하지 않게 접촉할 경우 점화 위험이 중간 정도 있습니다.자연 대류를 사용하는 히터보다 콤팩트하고 휴대용 및 소형 실내 난방 시스템에도 비용 효율이 좋다는 것이 장점입니다.

타워 팬 히터

저장 난방

주요 기사:저장 히터

저장 난방 시스템은 야간과 같은 수요가 적은 기간 동안 판매되는 더 저렴한 전기 가격을 활용합니다.영국에서는 Economy 7(이코노미 7)으로 브랜드가 되어 있습니다.저장 히터는 점토 벽돌에 열을 저장한 후 필요할 때 낮에 열을 방출합니다.신형 저장 히터는 다양한 관세로 사용할 수 있습니다.이코노미 7에서는 여전히 사용할 수 있지만 주간 관세도 적용할 수 있습니다.이는 제조 과정에서 추가된 현대적인 디자인 기능 때문입니다.새로운 설계와 더불어 서모스탯 또는 센서의 사용으로 스토리지 히터의 효율이 향상되었습니다.온도조절기 또는 센서는 실내 온도를 읽고 그에 따라 히터의 출력을 변경할 수 있다.

물을 축열 매체로 사용할 수도 있습니다.

가정용 전기 바닥 난방

주요 기사:마루 밑 난방

전기 바닥 밑 난방 시스템은 바닥에 난방 케이블이 내장되어 있다.전류는 라인 전압(120볼트 또는 240볼트)에서 직접 공급되거나 변압기에서 저전압으로 공급되는 도전성 가열 재료를 통해 흐릅니다.가열된 케이블은 직접 전도에 의해 플로어링을 데우며 플로어 서모스탯에 의해 설정된 온도에 도달하면 꺼집니다.따뜻한 바닥 표면은 열을 흡수하는 차가운 주변 표면(천장, 벽, 가구)에 열을 방출하고 흡수되지 않은 모든 열을 더 차가운 다른 표면으로 반사합니다.방사선, 흡수 및 반사의 주기는 천천히 시작되며 설정점 온도에 근접하여 천천히 느려지고 평형에 도달하면 발생하는 것을 멈춘다.플로어 서모스탯 또는 룸 서모스탯 또는 조합이 플로어의 온/오프를 제어합니다.복사 가열 과정에서 가열된 표면과 접촉하는 얇은 공기 층도 약간의 열을 흡수하여 약간의 대류(공기 순환)를 생성합니다.믿음과는 달리, 사람들은 이렇게 따뜻해진 순환 공기나 대류에 의해 가열되지 않고(콘벡션은 냉각 효과가 있음) 선원의 직접 방사선과 주변 반사에 의해 가열됩니다.순환 공기를 제거하여 낮은 공기 온도에서 쾌적함을 제공합니다.복사 난방은 사람 자신의 에너지(성인의 경우 ± 70와트)가 주변과 균형을 이루므로 최고의 쾌적함을 경험합니다.학술 연구에 기초한 대류 가열 시스템과 비교하여 공기 온도는 최대 3도까지 낮아질 수 있습니다.한 가지 변형은 순환하는 뜨거운 물이 채워진 튜브를 바닥을 따뜻하게 하는 열원으로 사용하는 것입니다.가열 원리는 그대로입니다.바닥 구조에 내장된 구식 전기 및 온수 바닥 난방 시스템 모두 속도가 느리고 외부 날씨 변화 또는 내부 수요/생활 요건에 대응할 수 없습니다.최신 모델은 특수 전기 난방 시스템과 담요를 바닥 장식기 바로 아래, 그리고 추가적인 단열재 위에 모두 건설 바닥 위에 배치한다.건설 바닥은 차갑게 유지된다.열원 배치의 원칙적인 변화를 통해 날씨 및 내부 수요 요구사항(예: 출근/퇴근, 휴식, 수면, 출석/조리 인원 증가 등)에 몇 분 이내에 대응할 수 있습니다.

조명 장치

대형 오피스 타워에서는 조명 시스템이 난방 및 환기 시스템과 함께 통합되어 있습니다.형광등에서 나오는 폐열은 난방 시스템의 리턴 공기로 수집됩니다. 대형 건물에서는 연간 난방 에너지의 상당 부분이 조명 시스템에 의해 공급됩니다.그러나 이 폐열은 에어컨을 사용할 때 문제가 됩니다.이러한 비용은 [2]전기 열원을 생성하는 에너지 효율적인 조명 시스템을 통합함으로써 피할 수 있습니다.

히트 펌프

주요 기사:히트 펌프

히트 펌프는 전기 구동식 압축기를 사용하여 외부 공기, 지하수 또는 지하수에서 열에너지를 추출하여 가열할 공간으로 이동하는 냉동 사이클을 작동시킵니다.히트 펌프의 증발기 부분에 포함된 액체가 저압에서 끓어올라 실외 공기 또는 지면으로부터 열에너지를 흡수합니다.그런 다음 컴프레서에 의해 증기가 압축되고 건물 내의 콘덴서 코일로 파이프로 연결되어 가열됩니다.고온 고밀도 가스의 열은 건물 내 공기에 의해 흡수되어(가정의 온수에도 사용됨) 고온 작동 유체가 다시 액체로 응축됩니다.여기서 고압 오일은 증발기 섹션으로 되돌아가며, 증발기는 오리피스를 통해 증발기 섹션으로 확장되어 사이클을 완료합니다.여름철에는 순환이 역전되어 조정된 공간에서 외부 공기로 열을 이동할 수 있습니다.

열 펌프는 온화한 기후에서 실외 공기에서 낮은 수준의 열을 얻을 수 있습니다.겨울 평균 기온이 영하인 지역에서는 지상원 열 펌프가 [3]냉기보다 따뜻한 온도로 지상에 저장된 잔류 태양열을 추출할 수 있기 때문에 공기원 열 펌프보다 효율적입니다.미국 EPA에 따르면 지열 열 펌프는 공기 소스 열 펌프에 비해 최대 44%, 전기 저항 [4]가열에 비해 최대 72%의 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.에어컨이 필요할 때 히트 펌프 대 저항 히터의 높은 구입 가격은 상쇄될 수 있습니다.

액체 가열

침지 히터

소형 가정용 침지 히터, 500W

침지 히터는 튜브에 수용되어 가열되는 물(또는 다른 유체)에 배치되는 전기저항 발열체를 가진다.발열체를 액체에 직접 삽입하거나 금속 파이프 내부에 설치하여 부식을 방지하고 유지보수를 용이하게 할 수 있습니다.휴대용 침지 히터는 조작자의 제어 하에 짧게만 사용하도록 설계되어 있기 때문에 제어 온도 조절기가 없을 수 있습니다.

가정용 온수 공급 또는 산업용 프로세스 온수의 경우 단열 온수 탱크에 영구적으로 설치된 발열 요소를 온도 조절기에 의해 제어하여 사용할 수 있습니다.가구 단위의 정격은 몇 킬로와트에 불과하다.산업용 온수기는 2000 킬로와트에 이를 수 있다.비수기 전력 요금을 사용할 수 있는 경우 필요할 때 사용할 수 있도록 온수를 저장할 수 있습니다.

전기 샤워기 및 탱크리스 히터도 물의 흐름과 함께 켜지는 침지 히터(차폐 또는 나체)를 사용합니다.개별 히터 그룹을 전환하여 다양한 가열 레벨을 제공할 수 있습니다.전기 샤워기와 탱크리스 히터는 보통 3킬로와트에서 10.5킬로와트를 사용한다.

급수에 존재하는 미네랄은 용액을 통해 침전되어 발열체 표면에 단단한 비늘을 형성하거나 탱크 바닥으로 떨어져 물의 흐름을 방해할 수 있습니다.온수기기의 유지보수는 축적된 비늘과 침전물을 주기적으로 제거해야 할 수 있다.상수도가 높은 광물로 알려진 경우 저와트 밀도의 발열 [5]요소를 사용하여 규모 생산을 줄일 수 있습니다.

순환 히터

순환 히터 또는 "직접 전기 열 교환기" (DEHE)는 가열 효과를 제공하기 위해 "쉘 사이드" 매체에 직접 삽입된 발열 요소를 사용합니다.전기순환히터에 의해 발생하는 모든 열이 매체로 전달되기 때문에 전기히터는 100% 효율이 좋다.직접 전기 열 교환기 또는 "순환 히터"는 산업 [6][7]공정에서 액체와 가스를 가열하는 데 사용됩니다.

전극 히터

주요 기사:전극 보일러

전극 히터에서는 와이어와이드 저항이 없으며 액체 자체가 저항 역할을 합니다.이는 잠재적인 위험이 있으므로 전극 히터를 관리하는 규정이 엄격합니다.

환경 및 효율성 측면

시스템의 효율성은 시스템의 경계 정의에 따라 달라집니다.전기 에너지 고객의 경우 구입한 모든 에너지가 열로 변환되기 때문에 전기 공간 난방 효율은 100%입니다.그러나 전력을 공급하는 발전소를 포함하면 전체적인 효율은 급격히 떨어진다.예를 들어, 화석 연료 발전소는 [8]방출되는 연료 에너지 10단위에 대해 3-5단위의 전기 에너지만 공급한다.전기 히터의 효율이 100%임에도 불구하고, 열을 발생시키는 데 필요한 연료의 양은 가열 중인 건물의 용해로 또는 보일러에서 연료를 태운 경우보다 많습니다.소비자가 동일한 연료를 공간 난방에 사용할 수 있다면 최종 사용자의 건물에서 연료를 연소하는 것이 전반적으로 더 효율적일 것입니다.반면에, 화석 연료 연소식 난방기로 전기 난방을 대체하는 것은 재생 가능한 전기 난방을 가질 수 있는 능력을 없애기 때문에 좋지 않다. 이것은 재생 가능한 전기로부터 전기를 공급함으로써 달성될 수 있다.

전력 생산국 간의 차이는 효율성과 환경에 대한 우려에 영향을 미친다.2015년 프랑스는 화석 연료로 전력의 6%만 생산한 반면, 호주는 전력의 86% 이상을 화석 [9]연료로 조달했습니다.전기의 청결과 효율은 전원에 따라 달라집니다.

스웨덴에서는 이러한 이유로 1980년대부터 직접 전기 난방의 사용이 제한되었으며, 스웨덴에서는 석유 단계적 폐기를 참조하는 등 전면적인 단계적 폐기를 계획하고 있다. 반면 덴마크는 비슷한 이유로 [10]신축 건물에 직접 전기 난방을 설치하는 것을 금지했다.신축 건물의 경우, Passivhouse 표준에 따라 지어진 것과 같은 난방의 필요성을 실질적으로 제거할 수 있는 저에너지 건축 기법을 사용할 수 있다.

그러나 퀘벡에서는 전기난방이 여전히 가장 인기 있는 가정난방 형태이다.2003년 캐나다 통계청 조사에 따르면, 도내 가구의 68%가 난방용으로 전기를 사용합니다.퀘벡에서 소비되는 모든 전력의 90% 이상이 화석 연료 발전소에 비해 온실가스 배출량이 적은 수력 발전 댐에 의해 생산된다.지방 소유의 [11]유틸리티인 Hydro-Qébec에 의해 저렴하고 안정적인 요금이 부과됩니다.

근년, 재생 가능 에너지로부터 저탄소 전력을 생산하는 나라가, 오랜 저탄소 에너지원인 원자력이나 수력 발전에 가세해 큰 경향을 보이고 있다.예를 들어, 2019년 영국 전력의 kWh당 탄소 배출량은 [8]2010년의 절반 미만이었다.하지만, 높은 자본 비용 때문에, 전기 비용은 떨어지지 않았고, 일반적으로 연료 연소 비용의 2~3배입니다.따라서, 직접 전기 난방은 이제 가스 또는 석유 연소 난방과 유사한 탄소 배출량을 제공할 수 있지만, 비용은 여전히 더 높지만, 오프 피크 시 관세가 더 저렴하면 이 효과를 줄일 수 있다.

열을 보다 효율적으로 제공하기 위해, 전기 구동식 히트 펌프는 지면, 외부 공기 또는 배기와 같은 폐기에서 에너지를 추출하여 실내 온도를 높일 수 있습니다.이를 통해 전기 소비량을 저항 [12]가열에 사용되는 전력의 35%로 줄일 수 있습니다.전기 에너지의 주요 소스가 수력 전기, 원자력 또는 풍력인 경우, 직접 가열 적용에는 자원이 너무 멀 수 있으므로 그리드를 통해 전기를 전달하는 것이 편리할 수 있다(태양열 에너지 제외).

공간 열과 온수 가열의 전기화는 특히 열 펌프의 경우 현재의 에너지 시스템을 탄소를 제거하는 방법으로 점점 더 많이 제안되고 있다.대규모 전기의 경우, 피크 전력 수요의 잠재적 증가 및 극단적인 날씨 사건에 대한 노출로 인한 전기 그리드에 대한 영향을 [13]고려해야 한다.

경제적 측면

지역을 장시간 가열하기 위한 전기 저항 히터의 작동은 많은 지역에서 비용이 많이 듭니다.그러나 주간 간헐적 또는 부분적 사용은 우수한 구역 제어로 인해 전체 건물 난방보다 비용 효율이 높을 수 있습니다.

예를 들어, 사무실 환경의 런치 룸은 운영 시간이 제한되어 있습니다.저사용 시간에는 중앙 난방 시스템에 의해 "모니터" 수준의 열(50°F 또는 10°C)이 제공됩니다.11:00와 14:00 사이의 피크 사용 시간은 "쾌적 수준"(70°F 또는 21°C)으로 가열됩니다.열복사를 통한 적외선 방사 손실은 이 공간과 가열되지 않은 외부 공기 사이, 그리고 냉장고와 (지금은 더 차가운) 런치 룸 사이의 온도 구배가 작을 때만큼 크지 않기 때문에 전체적인 에너지 소비에서 상당한 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

경제적으로 전기 열은 킬로와트시당 지역 비용에 히터가 사용하는 킬로와트 수를 곱하여 가정 난방의 다른 소스와 비교할 수 있습니다.예: 시간당 [14]1.5×12=18센트의 1500와트 히터.연소 연료와 비교할 때 킬로와트 시간을 BTU(1.5kWh × 3412.120=518BTU)로 변환하는 것이 유용할 수 있습니다.

산업용 전기 난방

다음 항목도 참조하십시오.유도로, 전기 아크로, 머플로.

전기난방은 [15]산업계에서 널리 사용되고 있다.

다른 형태에 비해 전기 가열 방법의 장점은 온도 및 열에너지 분포의 정밀 제어, 열 발생에 사용되지 않는 연소, 화학적 연소로 쉽게 도달할 수 없는 온도에 도달하는 능력이다.전열은 공정에서 필요한 정확한 지점, 단위 면적 또는 부피당 고농도 전력으로 정확하게 적용할 수 있습니다.전기 난방 장치는 필요한 크기로 제작할 수 있으며 공장 내 어디에나 설치할 수 있습니다.전기 난방 프로세스는 일반적으로 깨끗하고 조용하며 주변에 부산물 열을 많이 방출하지 않습니다.전기난방장비는 반응속도가 빨라 고속순환 양산장비에 빌려준다.

산업에서의 전기난방의 한계와 단점에는 연료의 직접 사용에 비해 높은 전기에너지 비용, 전기난방장치 자체와 사용지점에 대량의 전기에너지를 공급하는 데 필요한 인프라의 자본비용이 포함됩니다.이는 동일한 결과를 얻기 위해 전체적으로 에너지를 덜 사용하는 발전소 내(현장) 효율성 향상에 의해 다소 상쇄될 수 있다.

산업용 난방 시스템의 설계는 필요한 온도, 필요한 열량 및 열 에너지 전달의 실행 가능한 모드에 대한 평가에서 시작됩니다.전기 가열 방법에서는 전도, 대류 및 방사 외에 전기장과 자기장을 사용하여 재료를 가열할 수 있습니다.

전기 가열 방법에는 저항 가열, 전기 아크 가열, 유도 가열 및 유전 가열이 포함됩니다.일부 프로세스(예: 아크 용접)에서는 전류가 공작물에 직접 인가됩니다.다른 공정에서는 유도 또는 유전 손실에 의해 피가공물 내에서 열이 발생합니다.또한 열을 발생시킨 후 전도, 대류 또는 방사선을 통해 워크로 전달될 수 있습니다.

산업용 가열 프로세스는 저온(약 400°C 또는 752°F), 중온(400~1,150°C 또는 752~2,102°F) 및 고온(1,150°C 또는 2,102°F 초과)으로 크게 분류할 수 있습니다.저온 공정에는 소성 및 건조, 경화 마감, 납땜, 성형 및 성형 플라스틱이 포함됩니다.중온 공정에는 용해 플라스틱 및 주조 또는 재형성을 위한 일부 비금속 및 아닐, 응력 완화 및 열처리가 포함됩니다.고온 공정에는 제강, 브레이징, 용접, 금속 주조, 절삭, 제련 및 일부 화학 물질의 제조가 포함됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Electric Heater". Britannica.com. The Editors of Encyclopædia Britannica.
  2. ^ "Energy Efficient Lighting WBDG Whole Building Design Guide". www.wbdg.org. Retrieved 18 December 2017.
  3. ^ "Comparison of efficiency of air source heat pumps and ground source heat pumps". Icax.co.uk. Retrieved 20 December 2013.
  4. ^ "Choosing and Installing Geothermal Heat Pumps - Department of Energy". Energy.gov. Retrieved 16 April 2017.
  5. ^ "Immersion Heaters - Sigma Thermal". Sigma Thermal. Retrieved 18 December 2017.
  6. ^ "Gastech News". 12 August 2012. Archived from the original on 22 February 2017.
  7. ^ "Electric Resistance Heating - Department of Energy". Energy.gov. Retrieved 16 April 2017.
  8. ^ a b Kemp, I.C. and Lim, J.S. (2020). Pinch Analysis for Energy and Carbon Footprint Reduction: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 3rd edition. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-102536-9.{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  9. ^ Hanna Ritchie와 Max Roser (2020) - "화석 연료"OurWorldInData.org 에서 온라인으로 공개.취득처: 'https://ourworldindata.org/fossil-fuels';에서 2020-05-23 취득
  10. ^ The Green Electric Illusion, AECB, 2005-11 발행, 2007년 5월 26일 접속
  11. ^ 스나이더, 브래들리Canadian Social Trends, 2006년 봄, 15-19페이지에서 가정 난방과 환경.오타와:캐나다 통계국
  12. ^ "Ground-Source Heat Pumps (Earth-Energy Systems)". NRCan.gc.ca. Retrieved 16 April 2017.
  13. ^ Eggimann, Sven; Usher, Will; Eyre, Nick; Hall, Jim W. (2020). "How weather affects energy demand variability in the transition towards sustainable heating". Energy. 195 (C): 116947. doi:10.1016/j.energy.2020.116947. S2CID 214266085.
  14. ^ "How to calculate electric energy cost of common household items - McGill's Repair and Construction, LLC". McGill's Repair and Construction, LLC. 19 January 2014. Retrieved 18 December 2017.
  15. ^ 도널드 G. 핑크와 H.Wayne Beaty, Standard Handbook for Electric Engineeres, 11판, 뉴욕 McGraw-Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X, 21-144~21-1888