Низкотемпературный нагрев в сельском хозяйстве является наиболее перспективной отраслью электротермии. Однако проблема использования электроэнергии для теплофикации технологических процессов в сельхозпроизводстве и быту остается одной из наиболее актуальных научных и производственных задач. Этому есть ряд причин.

В большинстве развитых стран электроэнергия широко используется в качестве источника тепла. Например [1], к началу 70-х годов на тепловые нужды производства и быта приходилось в Австрии-40%, в ФРГ-55%, в США-более 50% от общего потребления электроэнергии сельским хозяйством. Причем удельный вес электроэнергии, используемой на электротеплоснабжение, продолжает расти быстрыми темпами и составляет в настоящее время существенную часть энергетического баланса, а также оказывает существенное влияние на экономику этих стран.

Тенденция возрастания энергоемкости сельскохозяйственной электротермии является отражением более общих процессов, происходящих в мировом сельском хозяйстве. Потребность в энергоресурсах удваивается через каждые 10-15 лет. Рост производства сельхозпродукции сопровождается возрастанием энергоемкости технологий их производства: так, прирост сельскохозяйственной продукции на 1% требует увеличения расхода энергоресурсов на 2-3%[2]. Рост энергозатрат в связи с увеличением производства сельхозпродукции характерен и, видимо, пока неизбежен для всех промышленно развитых стран, несмотря на предпринимаемые меры по их минимизации. Например, удвоение урожаев в США сопровождалось десятикратным повышением расхода энергии [3,4].

Уровень развития электротеплоснаб-жения сельского хозяйства нашей страны также достаточно высок. Так, удельный вес электронагрева в общем потреблении электроэнергии сельхозпроизводством увеличился с 15...20% в 1975 году [1] до 31 % в 1993 году [5]. Основными потребителями энергии являлись и являются системы, обеспечивающие оптимальную среду обитания животных, и технологические процессы, связанные с содержанием, кормлением, уходом за животными и первичной обработкой молока. В сумме они составляют основную долю в общих энергозатратах. На ферме с поголовьем 1200 коров установленная мощность технологического оборудования составляла в 80-х годах 21,3%, ц е н т р а л и з о в а н н о е отопление и горячее водоснабжение-28%, электрокалориферы в системах вентиляции-46,4%, то есть большая часть энергобаланса приходилась на тепловые процессы [6]. При этом быт сельского населения в качестве объекта электротеплоснабжения не рассматривался. В то же время в середине 90-х годов в сфере быта и услуг потреблялось 40% энергии [5]. По данным Госкомстата Ал- тайского края [10] ввод в действие жилых домов в сельской местности, построенных за счет населения, увеличился с 94,2 тыс.кв.м (30% от общего количества построенных домов) в 1993 году до 148,1 тыс. кв. м (80% от общего количества построенных домов) в 1997 г. С учетом того, что электропотребление сельским жителем в 2 раза ниже, чем городским [5], подобная тенденция позволяет характеризовать быт сельского населения как чрезвычайно перспективную область применения электротеплоснабжения.

Сегодня, несмотря на кризисные явления в экономике, несмотря на то, что электровооруженность труда на одного работающего в сельском хозяйстве в 2,5 раза ниже, чем в промышленности [5], сельское хозяйство продолжает оставаться крупным потребителем тепловой энергии, в котором имеет место достаточно широкое и разнообразное применение электронагрева.

Создание надежных и экономически эффективных систем теплоснабжения бытовых и производственных потребителей различной формы собственности может рассматриваться в качестве одного из направлений вывода сельского хозяйства из системного кризиса.

Разработка таких систем требует учета некоторых специфических особенностей сельского хозяйства Сибири и Дальнего Востока как потребителя тепловой энергии [7,8]:

- низкая плотность тепловых нагрузок и большая рассредоточенность потребителей, что обуславливает широкое распространение децентрализованных систем теплоснабжения от топливных котельных, обладающих рядом известных недостатков: большие транспортные расходы на доставку топлива, потери топлива при транспортировке и хранении, значительные затраты ручного труда на обслуживание большого количества маломощных топливных установок по причине сложности автоматизации, “перетопы” в связи с недостаточной гибкостью топливных установок и неполным сгоранием топлива из-за плохого состояния оборудования и нередким применением низкокалорийного топлива (бурый уголь, дрова и т.п.), что снижает КПД топливных установок до 0,08...0,15 вместо 0,35...0,5, определенных техническими характеристиками ;

- особенности формирования топливно-энергетического баланса каждого района региона;

- большая неравномерность нагрузки и малый коэффициент использования максимума, что сопровождается перерасходом топлива в периоды провалов нагрузки;

Рис.1. Движение работающих в сельском хозяйстве (тыс.чел.)

- значительное по сравнению с западными районами РФ удорожание всех строительно-монтажных и наладочных работ;

- наличие достаточно развитых энергетических систем, имеющих возможность для увеличения отпуска электроэнергии сельскому хозяйству региона, особенно во время ночного “провала” в суточном графике потребления электрической энергии;

- необходимость обеспечения большинства технологических процессов (кормоприготовление, санитарно-гигиеническая обработка животных и оборудования и др.) горячей водой и в летний период, когда отопительный сезон уже закончен;

- для нормальной жизнедеятельности животных, птиц и растений в суровых природно-климатических условиях требуется оптимальная температура окружающего воздуха, отклонение от которой негативно отражается на всех биофизических процессах.

Перечисленные выше особенности сельхозпотребителей и обусловленные ими трудности снабжения этих потребителей теплом и горячей водой вынуждают изыскивать новые источники тепловой энергии. В этом плане перспективным, на наш взгляд, является электронагрев, для развития которого в последнее время появились новые предпосылки [8]: централизация электроснабжения и улучшение технико-экономических показателей производства электроэнергии и ее распределения; создание нового, более совершенного оборудования и устройств, преобразующих электроэнергию в тепловую; усиление неравномерности суточного режима потребления электроэнергии при ее абсолютном росте; рост требований к качеству теплоснабжения, особенно в коммунально-бытовом хозяйстве; быстро возрастающие санитарно-гигиенические требования потребителей и необходимость устранения загрязнения окружающей среды и др.

Нагревательные установки, основанные на преобразовании электрической энергии в тепловую, обладают рядом преимуществ по сравнению с топливными [1,7-9]:

- возможность регулирования в широких пределах процесса нагрева во времени и пространстве, благодаря чему можно получать любые графики температурного режима (при высокой степени равномерности нагрева и точности поддержания заданных температур, обеспечить которые тепловым нагревом вообще не представляется возможным);

- простота автоматизации процессов, которая дает большой экономический эффект как за счет точности соблюдения технологии, так и за счет существенной экономии энергии (15...20%) и сокращения потерь теплоты (20...25%);

- снижение в большинстве случаев капитальных затрат по сравнению с топливным нагревом за счет отсутствия котельных, бойлерных, складов топлива, теплотрасс, специальных транспортных средств;

- высокая скорость нагрева, недостижимая при обычном топливном нагреве;

- высокая культура производства в сочетании с соблюдением санитарно-гигиенических условий работы обслуживающего персонала;

- простота и практически полная безынерционность включения и выключения электронагревательных установок, их постоянная готовность к действию;

- большая пожаробезопасность;

- меньшая потребность в производственных площадях ;

- высокий cosj большинства электронагревательных установок, что делает выгодным в определенных пропорциях использование этих установок для улучшения качества электрической энергии;

- КПД, близкий единице.

Для электротермического оборудования сельскохозяйственного назначения характерны следующие особенности: простота обслуживания при высоком уровне механизации и автоматизации; удовлетворение агротехническим и технологическим требованиям; возможность ремонта в местных условиях и взаимозаменяемость узлов; возможность увязки с сопрягаемым сельскохозяйственным оборудованием и максимальная унификация с ним; возможность привязки к типовым проектам сельхозпомещений и комплексов [8].

Следует учитывать и общие преимущества электротехнических устройств: транспортабельность и простоту подачи электроэнергии, компактность конструкции.

К недостаткам электронагрева следует отнести большую стоимость электроэнергии по сравнению со стоимостью эквивалентного количества угля, мазута и особенно газа; относительную сложность изготовления, комплектации и эксплуатации оборудования, а следовательно, повышенные требования к культуре производства; нередко также больший расход дорогих материалов и комплектующих изделий при изготовлении оборудования (сплавы высокого сопротивления, кабельная продукция, высокоглиноземистая керамика, конденсаторы, трансформаторы и т.п.).

Широкое применение электроэнергии для электрификации тепловых процессов сдерживается недостаточной мощностью электрических станций и пропускной способностью сельских сетей, ограниченной номенклатурой и объемом выпускаемого электротермического оборудования, а также не всегда грамотным решением вопросов применения электрического нагрева, что не позволяет получить от электронагрева наибольший экономический эффект. Например, одно из главных преимуществ электрической энергии – ее делимость и способность передаваться на большие расстояния – сводится к минимуму применением электрокотельных, широко распространенных в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока. Мощные централизованные электрокотельные призваны заменить котельные, работающие на жидком и твердом топливе. Подобное строительство сопряжено с дополнительными затратами на возведение трубопроводов, их теплоизоляцию, с дополнительными потерями тепла, то есть связано с недостатками, присущими обычным схемам теплоснабжения. Более целесообразно, на наш взгляд, превращать электрическую энергию в тепло децентрализовано, максимально приблизив этот процесс к потребителю.

До недавнего времени считалось, что электронагрев сопровождается перерасходом энергетических ресурсов из-за потерь при двукратном преобразовании энергии топлива (сначала в электрическую на электростанции, а затем в тепловую в электротермической установке). Однако в результате всесторонних исследований установлено [7], что при электронагреве первичные энергоресурсы, наоборот, часто экономятся.

Вообще, масштабы использования электрической энергии для теплоснабжения меняются во времени. Для каждого этапа развития науки, электротехнической промышленности, энерго-и электроснабжения существует наиболее эффективный оптимальный уровень электрификации тепловых процессов в сельском хозяйстве. Данный уровень для конкретного отрезка времени определяется на основании технико-экономического расчета с учетом сложившихся цен.

При этом в круг вопросов, которые должны решаться при выборе оптимального варианта электротеплоснабжения, кроме традиционных технологических, технических и экономических, входят также вопросы, связанные с изменением качества и количества сельхозпродукции при различных системах теплоснабжения. Кроме того, необходимо учитывать социальные и экологические аспекты широкой электрификации тепловых процессов:

1) повышение продуктивности животноводства и птицеводства, снижение падежа животных и удельного расхода кормов. При технико-экономическом сравнении вариантов теплоснабжения необходимо учитывать эффект, который дает более “гибкий” энергоноситель-электричество. Отечественный и зарубежный опыт [1] эксплуатации электроклиматических установок показывает, что использование электрической энергии позволяет с большой точностью поддерживать необходимые микроклиматические условия в помещениях, на 15...20% увеличить суточные приросты при откорме скота, снизить на 20...25% расход кормов, на 10...15% - падеж молодняка и увеличить на 30% яйценоскость кур;

2) в быту сельских жителей приближение образа жизни к городскому с точки зрения повышения комфортности, уменьшения трудозатрат и зависимости от особенностей традиционных систем теплоснабжения;

4) высвобождение работников, обслуживающих мелкие котельные и огневые установки. Например,ввод в действие в середине 70-х годов 650 электродных котлов и электрокотельных в Красноярском крае, значительная часть которых работает автоматически, дал возможность высвободить 2000 человек [1], внедрение в 80-х годах 5 тыс.электродных водонагревателей позволило сельскому хозяйству РФ высвободить 15 тыс.человек [8]. Изменение численности обслуживающего персонала в вариантах сравнения должно учитываться не только их годовой заработной платой, но и приведенными затратами на привлечение трудящихся в сельскохозяйственное производство и создание им и их семьям необходимых коммунально-бытовых, образовательных и культурных условий жизни;

5) выравнивание суточных и сезонных графиков электрической нагрузки. Использование тепловых нагрузок в качестве потребителей-регуляторов электрических графиков является чрезвычайно эффективным. В сельском хозяйстве коэффициенты использования установленной мощности и коэффициенты заполнения суточных графиков весьма низки как в зимнее, так и в летнее время. Применение электрической энергии в тепловых процессах способствует выравниванию общего электропотребления хозяйств и лучшему использованию электросетевого оборудования, тем более, что инструкция №127 от 26.01.93 “О порядке согласования применения электрокотлов и других электронагревательных приборов” устанавливает, что электрические нагревательные установки должны работать, как правило, в часы провалов графиков нагрузок энергосистемы, в основном в ночное время, и комплектоваться тепловыми аккумуляторами;

6) уменьшение стоимости передачи электрической энергии от районной подстанции к потребителю с увеличением электропотребления в хозяйствах при электротеплоснабжении;

7) значительное снижение трудоемкости при обслуживании систем электротеплоснабжения по сравнению с обслуживанием индивидуальных и групповых систем [8];

8) высокая фондоотдача. Фондоотдача электроотопительного оборудования в сельском хозяйстве в 2-3 раза выше, чем другого оборудования [8].

В настоящих условиях появился новый фактор, оказывающий непосредственное влияние на эффективность применения электротеплоснабжения и другой новой техники – это форма собственности.

На рис.2 приведены данные Госкомстата России по Алтайскому краю за 1993 –1997 гг. [10] о структуре продукции сельского хозяйства по категориям хозяйств.

1-хозяйства всех категорий;

2-сельхозпредприятия;

3-личные подсобные хозяйства (ЛПХ);

4-крестьянские (фермерские) хозяйства

Анализ рис.2 позволяет сделать следующие выводы, в основном совпадающие с выводами [11]. В экономике России и Алтайского края преобладает индустриально-техническая основа, но велика и доля ручного труда. Это делает ее сходной с экономиками развитых стран и создает условия для более эффективной работы именно крупных предприятий. Особые условия России (обширная территория и низкий биоклиматический потенциал) максимальным образом проявляются в сельском хозяйстве и коренным образом отличают ее от любой западной страны. Это обуславливает высокую энергоемкость сельского хозяйства: на производство 1 т зерновых в России расходуется 214 кг условного топлива, в США – 43, во Франции - 10 [12].

Однако чем крупнее предприятие, тем сложнее оно структурируется и управляется, что неблагоприятным образом сказывается на эффективности производства, особенно в нынешних экономических условиях, рис.2. Из данных Госкомстата (рис.2) видно, что в настоящее время личные подсобные хозяйства (ЛПХ) обеспечивают около трети производства сельхозпродукции в крае, занимая при этом 3...5% пашни. Однако существующая система статистики не учитывает трудозатраты рабочей силы ЛПХ.

В крупных западных странах сельскохозяйственное производство приняло высококонцентрированные формы. В США 70% всей товарной продукции дают 13,8% ферм, на которых занято 80 % всех наемных рабочих. Мелкие фермерские хозяйства, составляющие 62 % общего числа, производят всего 9% товарной продукции [13]. Аналогичная картина складывается и у нас: производство с.х. продукции фермерскими хозяйствами сократилась в Алтайском крае с 5% в 1993 году до 2% в 1997 г., что показано на рис.2. Причина этого заключается в следующем [11]. Введение частной собственности и уменьшение поддержки (или отсутствие ее) со стороны государства и крупных сельхозпредприятий переводит фермеров и ЛПХ на ручной труд и тормозит их развитие. В то же время среди факторов, определяющих эффективность различных форм собственности, наиболее глубинным является материально-техническая основа производства. Базой же частных единоличных хозяйств, основой которых является один или несколько человек, служат в основном ручные орудия труда. Поэтому для того, чтобы сельхозпроизводство было эффективным, то есть труд одного человека был бы в состоянии дать средства к существованию десяткам людей, а не только своей семье, оно должно быть организовано как крупномасштабное производство. Производительность здесь будет определяться не столько формой собственности, сколько применяемой техникой.

Для того, чтобы крестьянские фермерские хозяйства и ЛПХ стали действительно эффективными субъектами сельскохозяйственного производства, необходимо дать им дешевые средства малой механизации, позволяющие снизить затраты ручного труда и время на их обслуживание, в том числе и системы электротеплоснабжения.

Таким образом, внедрение систем электротеплоснабжения включает в себя эффект социального плана, так как оно значительно улучшает условия труда и быта, приближает условия работы сельскохозяйственных рабочих к труду индустриальному, а быт сельского населения к уровню жизни в городе, поднимает привлекательность и эффективность труда многих сельскохозяйственных специальностей, приводит к значительному сокращению количества топливных котельных и количества обслуживающего их персонала, уменьшает текучесть кадров в сельхозпроизводстве. Электрификация тепловых процессов исключает возможность загрязнения окружающей среды твердыми и газообразными продуктами сгорания. Поэтому при окончательном выборе энергоносителя необходимо принимать во внимание как социальный, так и экологический эффекты при электротеплоснабжении. И наконец, самое главное: системы электротеплоснабжения позволяют максимально приблизить источник тепловой энергии к месту потребления, чего не может обеспечить ни один другой способ нагрева.

На кафедре “Электрификация народного хозяйства” АлтГТУ разработана принципиально новая система термосифонного электродного нагревателя текучих сред, в том числе и газообразных, с автоматическим регулированием мощности в пределах от 15 до 100%, способным в определенной мере снять проблемы теплоснабжения в сельскохозяйственном производстве и быту. Шкала номинальных мощностей спроектированных нагревателей находится в диапазоне от 0,4 кВт до 250 кВт, в однофазном и трехфазном исполнении.

Особенностью этих нагревателей является высокая степень электропожаробезопасности, заложенная в принципе их работы, и которая может быть повышена в случае использования устройств защитного отключения.

Данный вид нагревателей не критичен к качеству электроэнергии, что позволяет использовать комбинированную систему питания от электросети и нетрадиционных источников энергии - ветроэлектроагрегатов и микрогэс, отличающихся нестабильностью режимов работы.