Накопительные водонагреватели (бойлеры)
Схема 1. Устройство накопительного электрического водонагревателя.
В принципе накопительный водонагреватель - это усовершенствованный электрочайник. Усовершенствованный потому, что в него не нужно заливать воду. Накопительный водонагреватель подключается к электросети (1) желательно с заземлением, к системе холодного водоснабжения (схема подключения накопительного водонагревателя приводится отдельно) и вода, поступая по трубе (2), наполняет бак. Если в водопроводной сети давление совсем слабое, то не всякий нагреватель подойдет и тут нужно смотреть технические характеристики бойлера. Минимальное и максимальное давление воды обычно указываются в паспортных данных водонагревателя. Вода, набравшись в бак (8), нагревается до температуры 60-80°С, после чего нагреватель - ТЭН (4) автоматически отключается термостатом (5). Температуру воды в бойлере всегда можно определить по термометру (7). Во время работы ТЭНа обычно горит светодиод (на схеме не показан). В более дорогих моделях есть терморегулятор, позволяющий пользователям регулировать температуру нагрева воды (на схеме не показан). Когда пользователь включает кран горячей воды или смеситель в положение "горячая вода", то горячая вода по трубе (3) начинает вытекать под напором холодной воды, поступающей в бак. Опять же, если давление в водопроводной сети низкое, то и никакого особенного напора на выходе из бака не будет, и тут не важно, на какой высоте висит бак. Поэтому название "накопительный водонагреватель" в данном случае достаточно условное, более правильно было бы называть такие нагреватели проточно-емкостными.
Нагревательный бак (8) делается из обычной, достаточно тонкой (1-2 мм) ржавеющей стали и это не есть хорошо, точнее это хорошо для производителей и соответственно покупателей, так как изготовление бака из обычной ржавеющей стали позволяет максимально снизить стоимость водонагревателя. Но такой бак, постоянно контактируя с горячей водой, долго не прослужит, коррозия, разного рода анионы и катионы, содержащиеся в водопроводной воде, сделают свое дело. Чтобы защитить бак от коррозии на внутреннюю поверхность бака наносится слой стеклофарфора или эмали. Вот только и стеклофарфор и эмаль очень чувствительны к перепадам температур, на покрытии появляются микротрещины и снова вероятность коррозии увеличивается. Поэтому для дополнительной защиты бака от коррозии часто используется так называемый магниевый анод (6). Так как магний является более активным металлом, чем железо, то первым в бой, точнее в химическую реакцию вступает магний. Само собой от этого магниевый анод разрушается и потому нуждается в замене. Состояние магниевого анода рекомендуется проверять раз в год и если анод сильно разрушился, его необходимо заменить. Это один из самых больших недостатков дешевых накопительных водонагревателей. В дорогих моделях на внутреннюю поверхность бака напыляется слой титана или нержавейки, или бак полностью изготавливается из нержавеющей стали. В таких бойлерах анод служит намного дольше. Само собой цена таких нагревателей значительно выше. Качество бака можно косвенно определить по гарантийному сроку работы, у дешевых бойлеров гарантийный срок службы не превышает 1-2 лет, на хорошие водонагреватели дается гарантия до 7 лет.
Выбрать бойлер нужного объема в теории просто - нужно определить максимальный расход горячей воды утром или вечером, и покупать бак с объемом хотя бы на 5 литров больше, чтобы в конце не шла совсем уж холодная вода. В среднем одному человеку в день нужно:
Расход горячей воды (при температуре холодной воды 10°С)
| Назначение |
Рекомендуемая температура |
Ориентировочный расход воды, л |
Расход из бака при t=60 °С, л |
Расход из бака при t=80 °С, л |
| Мытье посуды |
40-42 °С |
5-10 |
3.5-7 |
2-4 |
| Прием ванны |
38-40 °С |
150-180 |
95-110 |
60-75 |
| Прием душа |
36-38 °С |
20-50 |
12-29 |
8-19 |
| Умывание, мытье рук и др. |
35-37 °С |
5-15 |
3.5-9 |
2-5 |
Казалось бы ответ очевиден - нужно покупать бак с максимальным нагревом и минимальным объемом. Но в реальности не все так просто, попробую пояснить почему.
Время нагрева воды зависит от объема бака и от мощности ТЭНа, в баках объемом 50-200 литров могут устанавливаться несколько ТЭНов. Например, если в баке объемом 50 литров установлен ТЭН мощностью 2 кВт, то на нагрев воды с 10 до 80°С потребуется:
50 х 70 х 1.1667 = 4083 Ватт·часа или 4.083 кВт·ч электроэнергии
где 50 - количество литров. Хотя 1 литр воды равен 1 кг при температуре воды около 4°С, а при увеличении температуры литр воды будет весить меньше, но не будем усложнять простейшие расчеты.
70 - разница температур в градусах Кельвина. Величина градусов по шкале Цельсия, которой мы обычно пользуемся, и по шкале Кельвина, которой пользуются ученые, одинаковая.
1.1667 - теплоемкость воды в Втч / (кг·К)
Чтобы определить, сколько на это потребуется времени, нужно полученное значение разделить на мощность ТЭНа:
4.083 / 2 = 2. 04 часа или 2.04 х 60 = 122 минуты
На самом деле на нагрев воды времени уйдет еще больше, дело в том, что бак будет постоянно отдавать тепло окружающей среде, строго повинуясь законам термодинамики. И чем выше будет температура воды в баке тем больше будет теплопотерь, поэтому греть в баке воду до максимально возможной температуры, чтобы потом разбавлять ее в смесителе холодной водой, экономически не выгодно, если нагретая вода будет оставаться в баке более 1-2 часов, а так оно в основном и бывает, если в 12 часов ночи бак заполняется холодной водой, а в 8 часов утра начинают пользоваться горячей водой. Днем этот промежуток может быть еще больше и доходить до 12 часов перерыва в пользовании горячей водой.
Чтобы уменьшить теплопотери, между баком и внешним корпусом (10) делается теплоизоляция (9), как правило это пенополиуретан, более известный простому потребителю как "монтажная пена". Толщина теплоизоляции редко превышает 2-2.5 см не потому, что производители хотят увеличить Ваши расходы на электроэнергию, а для того, чтобы размеры водонагревателя оставались в пределах разумного и не отпугивали покупателей гигантскими размерами. Кроме того на величину теплопотерь также влияет форма нагревательного бака. Чем ближе водонагреватель по форме к шару, тем меньше площадь бака и соответственно меньше теплопотери, при одном и том же объеме воды. Менее эффективной с точки зрения теплопотерь является форма трубы, еще менее эффективной является кубическая форма, а если накопительный водонагреватель сделан в виде параллелограмма, то в зависимости от соотношения сторон, теплопотери в таком нагреватели будут в 1.3-3 раза больше, чем у шарообразного. Например, в шарообразном баке диаметром 0.3 м поместится
V = пD3/6 = 0.0141 м3 или 14.1 литр воды,
при этом площадь шара
S = пD2 = 0.2827 м2.
В параллелограммном баке, близком к кубу, например, со сторонами 0.2 х 0.235 х 0.3 м поместится столько же воды (V = 0.2 х 0.235 х 0.3 = 0.0141 м3) , но при этом площадь бака будет
S = ((0.3 х 0.2) + (0.3 х 0.235) + (0.2 х 0.235)) х 2 = 0.3531 м3
т.е. на на почти на 25% больше. Это как раз тот случай, когда эстетика прямо противоположна функциональности, поэтому количество моделей водонагревателей в форме трубы или растянутого шара - максимально. Определить толщину теплоизоляции в водонагревателе проще всего, сняв внешний корпус, но в магазине никто Вам сделать это не даст, поэтому можно приблизительно определить толщину теплоизоляции, посчитав объем нагревателя. Например, для водонагревателя, приближающегося по форме к трубе, изображенного на схеме 1, с размерами 873 х 450 х 450 мм вмещающего 100 л, полный объем будет составлять:
V = l·пD2/4 = 0.873 х 3.1415 х 0.452/4 = 0.138 м3 или 138 литров.
Если предположить, что у такого бака толщина теплоизоляции составляет 2.5 см, то объем бака составит:
V = l·пD2/4 = 0.823 х 3.1415·0.42/4 = 0.138 м3 или 103 литров.
Мы не учитывали толщину бака, толщину внешнего корпуса, объем внутренней электроначинки, так что результат довольно точный и можно предположить, что у такого бака толщина теплоизоляции действительно составляет около 2.2-2.4 см.
Теперь попробуем приблизительно рассчитать теплопотери для этого бака. Площадь поверхности такого бака будет составлять:
S = пD(l + D/2) = 3.1415 х 0.4(0.823 + 0.4/2) = 1.2855 м2
Если мы примем толщину теплоизоляции δ=0.023 м, температуру воды в баке tв=80°С, температуру воздуха в помещении tп=20°С, то при коэффициенте теплопроводности пенополиуретана λ = 0.03 Вт/(м·К) теплопотери будут составлять:
Q = F(tв - tп)λ/δ = 1.2855 х 60 х 0.03/0.023 = 100.6 Вт в час
или 100.6 х 24 = 2.414 кВт в сутки или 2.414 х 30 = 72.4 кВт в месяц. Т.е. только для того, чтобы поддерживать температуру в баке, придется дополнительно тратить 72.4 кВтч электроэнергии.
при температуре воды в баке tв=60°С теплопотери составят
Q = F(tв - tп)λ/δ = 1.2855 х 40 х 0.03/0.023 = 75.45 Вт·час
при температуре воды в баке tв=40°С теплопотери составят
Q = F(tв - tп)λ/δ = 1.2855 х 20 х 0.03/0.023 = 37.7 Вт·час
Даже при столь простом расчете, не учитывающем эффективность теплоотдачи в зависимости от разницы температур, видно, что чем меньше температура воды в баке, тем меньше будут теплопотери, а летом, когда температура в помещении поднимается до 30 градусов и выше, теплопотери вообще будут минимальными.
А еще можно греть воду воздухом в помещении. Например, даже зимой, когда температура воздуха в помещении около 20 градусов, а температура воды в водопроводе 5 градусов, то если днем все уходят на работу и бак только заполнился холодной водой, можно вообще отключить ТЭН. За 12 часов вода в баке нагреется на 2.5 градуса, так как в бак поступит:
Q = 12F(tп - tв)λ/δ = 12 х 1.2855 х 15 х 0.03/0.023 = 301.8 Вт·час, таким образом за месяц можно сэкономить до 10 кВтч электроэнергии, не то чтобы очень уж и много, но все-таки. Поэтому накопительный водонагреватель с 2 ТЭНами - с мощным для быстрого нагрева, и слабым для медленного нагрева, является более экономным, чем подобный по характеристикам водонагреватель с 1 ТЭНом, хотя и будет стоить дороже.
Как и в обычном электрочайнике, на ТЭНе со временем образуется накипь и чем выше температура нагрева воды, тем больше на спирали будет образовываться накипи. Чем толще слой накипи, тем хуже осуществляется теплопередача, а значит ТЭН будет перегреваться и быстрее выйдет из строя, поэтому раз в год ТЭН рекомендуется очищать от накипи, для этого приходится разбирать накопительный водонагреватель.
Таким образом главные недостатки накопительных водонагревателей: большие размеры, необходимость частой профилактики, большие теплопотери. Казалось бы всех этих недостатков лишены
Проточные нагреватели
Почти все в проточных водонагревателях хорошо, и компактные, что позволяет устанавливать их где угодно, и легкие, и почти никаких теплопотерь. Но есть у проточных водонагревателей один бо-о-о-ольшой недостаток. Для того, чтобы нагреть, например, 3 литра воды в минуту, а это совсем небольшой напор, едва достаточный для принятия душа, при разнице температур в 25 градусов (например, 37 -12) нужна мощность:
3 х 25 х 1.1667 х 60 = 7501 Ватт или 7.5 кВт
Т.е. сила тока будет около 34 А. В квартире со старой электропроводкой, выполненной алюминиевым проводом сечением 2.5 мм, который может выдержать максимум 25 А, установить проточный электронагреватель такой мощности можно, только если будет сделана отдельная проводка от подъездного щитка, да и то, только если электрик, обслуживающий данную электросеть согласится. А нагревателям мощностью 12-30 кВт уже одной фазы мало, им три фазы подавай. Поэтому в городской квартире если что и можно без особенных проблем поставить, так это проточный нагреватель мощностью 3.5-5 кВт, который будет давать 1.5 литра воды в минуту, чего достаточно для аккуратного мытья посуды или мытья рук. Но если у Вас свой дом, к которому подходит электрический кабель достаточного сечения, то можно ставить проточные электрические нагреватели практически любой мощности и в любом количестве. Дело в том, что проточные нагреватели обычно ставятся на каждую водозаборную точку. Например, один для кухонной мойки, другой для душа.
Схема 2. Устройство проточного электрического нагревателя.
Электрический кабель (1), как уже говорилось, к обычной 16 А розетке не подключишь, более того, заземление для проточных нагревателей обязательно. Ну а дальше все достаточно просто, холодная вода по трубе (2) поступает в нагреватель, одновременно выталкивая горячую воду по трубе (3). Холодная вода сначала проходит через электронный блок управления (4), контролирующий скорость воды, завоздушенность воды и другие параметры. Электронный блок управления также призван выравнивать скорость потока для более равномерного нагрева воды. Далее холодная вода поступает в теплообменник (7), обычно изготовленный из меди. На схеме 2 теплообменник изображен достаточно условно, конструкций теплообменников существует достаточно много. В теплообменнике находится ТЭН (5), нагревающий проточную воду. В случае перегрева срабатывает термовыключатель (6). Наружный корпус (8) у проточных выключателей часто пластмассовый, чтобы снизить риск поражения электрическим током.
Более высокая цена проточных водонагревателей предполагает более совершенную систему защиты, улучшенный контроль температуры горячей воды и другие опции, ну и само собой, чем мощнее нагреватель, тем он дороже. |
