Задача экономически эффективного нагрева воды, которая используется в качестве теплоносителя в системах водяного отопления и горячего водоснабжения, была и остается актуальной независимо от способа осуществления этих процессов, конструкции системы отопления и источников получения тепла.

Известны четыре основных вида источников получения тепла для решения этой задачи:

На рациональный выбор системы отопления влияет много факторов:

 

По типу горелки газовые котлы делят на котлы с атмосферной (инжекционной) и дутьевой (вентиляционной, турбо) горелкой и соответственно называют атмосферными или наддувными (турбокотлы).

Газовые котлы с атмосферной горелкой работают по принципу газовой плиты, а потому практически бесшумны. Газ на горелку подается за счет избыточного давления в магистрали. Это является одновременно и достоинством и недостатком. С одной стороны отсутствие дополнительного оборудования (вентиляторов, системы управления ими) делает котел проще в эксплуатации и дешевле своих конкурентов. С другой - предъявляются особые требования к качеству поступающего газа.

Интервал давления магистрального газа в отечественных сетях лежит в пределах 6 - 13 мбар, для европейских сетей этот показатель равен 15-20 мбар. Это значит, что не всякий котел, удовлетворяющий западным стандартам, сможет эффективно работать в России.

Газовые котлы с дутьевой горелкой (турбокотлы) отличаются от атмосферных наличием системы стабилизации давления газа. Благодаря этой системе работа котлов не так зависит от давления газа и их КПД при работе на газе чуть выше, чем у атмосферных. Турбокотлы практически ни чем не отличаются от жидкотопливных котлов, и достаточно просто (путем замены горелки) могут быть переведены на дизельное топливо или сжиженный газ.

К недостаткам этих котлов можно отнести достаточно высокую стоимость и шум. Их следует размещать в нежилых звукоизолированных помещениях.



Газовый котел требует существенных стартовых затрат на: проект, разрешительную документацию, подводку газа от магистрали до дома, специальное помещение под котел, вентиляция, дымовую трубу и мн. другое. Высокие цены на сервисное обслуживание.

 

Имея высокую поверхностную температуру, нагреватели, используя физические свойства электромагнитных волн, отдают тепловую энергию всем находящимся в области работы прибора предметам. Нагретые тела, в свою очередь, переизлучают накопленное тепло в окружающее пространство, нагревая его конвекционным методом.

Для работы излучателя требуется подведение газа и электропитания. Точно дозированное количество газа поступает в смесительную трубу, где смешивается с воздухом в легковоспламеняющуюся смесь (газ-воздух).

Она равномерно распределяется в смесительной камере, предварительно подогревается и затем попадает в керамическую плитку. В плитке находятся тысячи маленьких отверстий, в которых происходит процесс горения смеси газ-воздух.

При горении плитка нагревается до температуры 9000оС. Плитка изготавливается по специальной рецептуре для более быстрой теплоотдачи. Это необходимо для процесса «низкотемпературного» горения, при котором значительно снижаются выбросы вредных продуктов сгорания (СО2 и NO2). Газовые ИК излучатели могут быть различных температурных уровней:

- «светлые» высокотемпературные (температура излучающей поверхности

tизл. > 1000ОС);

- «светлые» среднетемпературные (температура излучающей поверхности

800 < tизл. < 600ОС);

- «темные» (температура излучающей поверхности 400 < tизл. < 600ОС);

- «субтемные» (температура излучающей поверхности 200 < tизл. < 400ОС).



Эффективность работы системы ИК отопления выше при более высоких температурах теплоотдающих поверхностей обогревателей, при этом увеличивается пожароопасность. КПД систем ИК отопления – 92%.


Использования при конструировании котлов коррозионно-стойких легких сплавов и нержавеющих сталей, позволило получить дополнительное тепло от уходящих продуктов сгорания, за счет конденсации водяных паров, образующихся при сжигании топлива.

Таким образом, получается дополнительное количество тепла – до 10,7 % при сжигании газа и до 5,95 % при сжигании солярки. Следствием этого и являются значения КПД, превышающие 100%. В среднем за отопительный сезон современные конденсирующие газовые котлы способны достигать КПД до 106–108%, рассчитанного относительно низшей удельной теплоты сгорания.

Наибольшая эффективность, а соответственно повышенный КПД, достигается при работе котла в низкотемпературной системе отопления. Когда речь идет о странах с достаточно мягкими климатическими условиями, где для отопления помещений достаточно применения низкотемпературных отопительных контуров, использование такой техники действительно целесообразно.

Но даже в средней полосе России, при температуре окружающей среды зимой –20°C, эксплуатация отопительного котла в низкотемпературном режиме для отопления отдельного здания не принята — воздух в помещении может просто не прогреться.


Теплогенератор состоит из корпуса, камеры сгорания и теплообменника, снабжен вентилятором, блочной горелкой и шкафом управления. В теплообменнике теплогенератора рекуперативного типа при одновременном протекании теплообменивающихся сред теплота от продуктов сгорания к нагреваемому воздуху передается через разделяющую их стенку.

Теплогенераторы на жидком топливе и газе конструктивно идентичны и отличаются шкафом управления и горелкой.

 

 

 

ТВГ-200: тепловая мощность не более 200 кВт, подача нагретого воздуха до 5 000 м3/час, КПД 90-92%, расход газа 25 м3/час. Теплогенераторы имеют большие габариты, что приводит к большим сложностям при подключении их в модернизируемые системы отопления и теплоснабжения.

Когенерационные установки (КГУ) предназначены для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Когенерационная установка позволяет использовать то тепло, которое обычно просто теряется.

Она состоит из газового, газопоршневого и т.д. двигателя, генератора, системы отбора тепла и системы управления. Тепло отбирается из выхлопа, масляного радиатора и охлаждающей жидкости двигателя. В результате тепловая энергия производится без дополнительного расхода топлива.

При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает 150 кВт тепловой мощности в виде горячей воды для отопления и горячего водоснабжения.

Функциональная схема энергостанции с использованием модулей КГУ.

Когенераторные электростанции успешно покрывают потребность в дешевой электрической и тепловой энергии в диапазоне электрической мощности от 0,5 до 8 МВт. При меньших мощностях стартовые затраты имеют большой срок окупаемости.

В электродных котлах нагрев воды происходит в результате пропускания через нее переменного электрического тока.

Напряжение, прилагаемое к помещенным в воду электродам, ионизирует ее, однако явления электролиза не наблюдается, так как катод и анод постоянно меняются местами с частотой электрической сети.

Количество выделяющегося при этом тепла можно определить в результате простого расчета, согласно закону Джоуля-Ленца:

Q = C•J•2•R•t,

где:

Q – выделяемое тепло, кал;
J – сила тока, А;
R – сопротивление котловой воды, Ом;
t – время прохождения тока, с;
С – электрический тепловой эквивалент (для воды – 0,24 кал/Дж).

Конструктивно электродный котел представляет собой емкость с размещенными в ней электродами и действует как проточный водонагреватель. Главной особенностью всех электродных котлов, по утверждению производителей, является высокий, порядка 96–98 %, коэффициент полезного действия.

Вода в электродных котлах одновременно является и теплоносителем, и элементом электрической сети, поэтому должна обладать как определенной проводимостью (чтобы существовал электрический ток), так и определенным сопротивлением (во избежание короткого замыкания). Скажем, дистиллированную воду в электродных котлах использовать нельзя, вследствие ее малой проводимости. Некоторые компании-производители предлагают для систем с электродными котлами специальные составы.

Еще одной особенностью данного оборудования является его способность самонастраиваться в зависимости от заданной потребителем температуры теплоносителя и его количества в отопительном контуре, выходя на равновесный режим с некоторой задержкой. Это связано с тем, что по мере разогрева теплоносителя уменьшается его сопротивление. Электродные котлы сами отключаются от электросети при коротком замыкании, утечке теплоносителя и превышении заданной температуры.

 

- Требуют квалифицированного обслуживания.

- В условиях ограничения по электрическим нагрузкам работа на номинальной (максимальной мощности) невозможна, т.к. при потеплении на улице температура обратной воды возрастает и рабочий ток тоже, это может привести к срабатыванию тепловой защиты автоматического выключателя.

- Требуется водоподготовка теплоносителя по электропроводности.

- Ограничения по использованию антифризов в качестве теплоносителя. Теплоноситель не должен иметь большой электропроводности, а, обычно используемый тосол, имеет большое количество солевых присадок (для уменьшения коррозии).

- При перегреве воды в котле выше 120 градусов происходит расплавление пластмассовых изоляторов. Такое может произойти при нарушении циркуляции теплоносителя, причем срабатывания защиты по температуре, как правило, запаздывает.


- При понижении температуры на улице котел снижает мощность, а при повышении - увеличивает. Если мощность, на которую настроен котел, равна или ниже действительных теплопотерь, то при похолодании на улице возрастают теплопотери и температура обратной воды снижается. Электропроводность воды падает при понижении температуры воды, а соответственно, и уменьшается рабочий ток.


- Есть токи утечки, которые, в зависимости от конструкции, могут достигать 25% номинального тока.

В отличии от электродных, ТЭНовые котлы относятся к аппаратам косвенного действия. Для нагрева теплоносителя в них используются электронагревательные элементы – ТЭНы. Электроэнергия идет на нагрев ТЭНа, который в свою очередь греет воду. Конструктивно ТЭН представляет собой прочную металлическую оболочку из стали, алюминия или титана с размещенной внутри нихромовой спиралью и контактными стержнями.

От оболочки спираль отделена отделена спрессованным диэлектрическим наполнителем: периклазом (оксидом магния MgO) или кварцевым песком, обладающими хорошей теплопроводностью. Для предохранения от попадания внутрь ТЭНов влаги их концы герметизируются.

По конфигурации ТЭНы разделяют на двухконцевые, когда контактные выводы расположены с двух сторон, и одноконцевые – с контактными выводами, расположенными по одну сторону нагревателя. В электрических котлах, как правило, используют одноконцевые ТЭНы, или, как их еще называют, – патронные.

Бытовые ТЭНовые электрокотлы выпускаются мощностью от 4 до 50 кВт. Приборы мощностью до 10 кВт чаще изготовляют в однофазном или трехфазном исполнении. В диапазоне свыше 10 кВт большинством производителей предлагаются трехфазные модели. Электроподключение котлов должно проводиться лицами, имеющими соответствующее разрешение на проведение данного вида работ, в соответствии с ГОСТ Р 50571.1-93 «Электроустановки зданий».

Недостатками ТЭНовых котлов являются:


- крайне неравномерный прогрев помещений,


- быстрое остывание обогреваемого пространства,


- большой расход электроэнергии,


- постоянное нахождение человека в электрическом поле, дыхание перегретым воздухом,

- низкий срок службы.


Образование накипи на ТЭНе влечет за собой заметное снижение КПД (с почти 100% до 80 - 60 %), а затем отказ котла. Поэтому особые требования предъявляются к чистоте теплоносителя. В качестве теплоносителя рекомендуют применять либо специальный теплоноситель, либо очищенную (без солей жесткости) дистиллированную воду. ТЭНы часто перегорают, поэтому при выборе котла следует обращать внимание на возможность замены ТЭНа. Очистку ТЭНов от накипи выполнить сложнее, чем электродов.

В ряде регионов оплата за электричество, используемое на отопление, производится с увеличивающим коэффициентом К=1,7.

По своей конструкции индукционный нагреватель ближе всего к трансформатору, у которого в качестве вторичной обмотки используется металлический теплообменник.

Под воздействием переменного магнитного поля, создаваемого магнитной системой, в металле теплообменника индуцируются токи, вызывающие его нагрев. Тепло от нагретых поверхностей теплообменника передается нагреваемой среде. Таким образом, в индукционном нагревателе, который работает на токах промышленной частоты, нагреву подвергается не сама среда (теплоноситель) непосредственно, а металлическое тело, и уже от него нагревается среда.


В такой системе нет элементов, подверженных износу и срок службы аппарата определяется практически только сроком службы электромагнитной катушки. Индукционный нагреватель применяется в замкнутых системах теплоснабжения, в которых в качестве теплоносителя, как правило, применяется вода.

Индукционные нагреватели имеют КПД = 98%. По большинству свойств они существенно превосходят ТЭНовые и электродные нагреватели



Системы типа «теплый пол» использовались еще во времена древнеримских терм (бань), где нагретый воздух проходил по специальным каналам в каменном полу. До начала ХХ века теплоносителем являлся исключительно нагретый воздух, который под действием естественной тяги проходил по каналам в полу, постепенно отдавая свое тепло гранитным плитам.

В начале ХХ века с появлением насосов появились теплые полы с использованием нагретой воды. И, наконец, с середины столетия с появлением относительно дешевой и доступной электроэнергии начали распространяться системы с использованием нагревательных кабелей.

При использовании традиционного варианта устройства отопления, когда нагревательные приборы расположены вдоль стен, создаются конвекционные потоки, в которых нагретый воздух поднимается вверх, постепенно отдавая тепло, и охлажденным опускается к полу.

Холодный пол создает ощущение дискомфорта. Здесь вступает в действие физиология. Дело в том, что единственная часть тела, постоянно отдающая тепло путем теплопередачи — это поверхность ступней, поэтому касание ступнями нагретой до физиологически комфортной температуры 25–28°C (большие температуры нежелательны по целому ряду причин) сразу же вызывает физиологическое ощущение комфорта, а относительно прохладный воздух на уровне головы — ощущение свежести. Практически никакой из распространенных сегодня тепловых приборов не создает уровня комфорта, сравнимого с системами «теплых полов».

Принцип работы «теплых полов» заключается в том, что наиболее теплый воздух оказывается внизу, а наиболее холодный — вверху. На рисунке показана разница распределения температуры воздуха при обычной системе отопления и при системе «теплый пол».

В результате работы системы вся поверхность пола или стены превращается в большую рабочую панель, равномерно излучающую тепло. При этом температура пола лишь на несколько градусов превышает температуру воздуха, что создает мягкий и комфортный для человека обогрев.

Электрический «теплый пол» имеет следующие недостатки:



– сложность и дороговизна при монтаже.



- недостаточен для обогрева помещения в холодное время;



- использование в кабеле высокоомного нагревательного элемента (нихром, вольфрам) предусматривает хороший теплоотвод, ковер на полу создаст предпосылки к перегреву и выходу из строя данной отопительной системы;



- при использовании кафельной плитки на полу, бетонная стяжка должна высохнуть полностью, первое пробное безопасное включение системы – не менее чем через 45 суток,


- значительное энергопотребление.

 

Оптимальным вариантом для энергетически эффективного дома является инфракрасное половое отопление. Дешёвые материалы, монтаж. Больше в статье "Укладка электрического теплого пола"

Внутренний контур теплового насоса заполнен хладогеном. Хладоген подбирается такой, чтобы мог закипать даже при минусовой температуре. Поэтому, даже когда совсем холодную воду прогоняют насосом через каналы испарителя 2, жидкий хладоген все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор 3, где сжимается. 


При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый хладоген направляется в теплообменник конденсатора 4, охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей среде. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения 5, а хладоген, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Цикл завершился, и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

   Геотермические тепловые насосы  используют в качестве источника тепла энергию грунта земельного участка. Трубопровод, в котором циркулирует жидкий теплоноситель, зарывается в землю. Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания почвы – глубина в 1 м является оптимальной. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0,8...1 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется.
  Желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20…30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350...450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20м х 20м).

Тепловые насосы целесообразно использовать в основном на небольших отдельно стоящих объектах с земельными участками. Применение тепловых насосов требует значительных капитальных затрат. Выбор тепловых насосов в качестве источника теплоснабжения целесообразно проводить еще на этапе проектирования объекта

 

  Таким же принципом работают тепловые насосы воздух - воздух.