Нос ростом объема водонагревательной емкости производителям становится все труднее угадать запросы потребителей. Связано это, конечно же, не с плохой компетентностью инженеров на заводах, а с огромным разнообразием условий, в которых может эксплуатироваться бойлер. Большие емкости выбирают для большого единовременного расхода, для слабых электросетей при незначительной постоянной потребности, для труднопрогнозируемого нерегулярного водоразбора, для частого потребления очень горячей воды.
Во всех ситуациях выбор объема бойлера и мощности нагрева должен быть разным. В связи с этим производители предпочитают продавать емкости без какихлибо нагревательных элементов, с одним или несколькими отверстиями. Отдельным списком идут ТЭНы и теплообменники разных мощностей, которые можно в любой комбинации размещать в бойлере, а также заглушки, если все вырезанные рельефы пока не потребовались.
Выбранную комбинацию монтажник собирает прямо на месте установки. Другой, менее распространенный вариант: заказанная конструкция сваривается в заводских условиях и поставляется в готовом виде. В качестве преимущества данного варианта можно отметить быстрый и несложный монтаж, гарантию от протечек ввиду меньшего количества соединений, а недостатком является отсутствие возможности изменения комплектации, если в дальнейшем таковая потребуется.
Водонагреватели большой емкости обходятся обычно недешево в абсолютном смысле: крупные предметы всегда дорого стоят, какими бы простыми они ни были. Относительно же комбинации аналогичных бойлеров меньшей мощности суммарная стоимость может оказаться и значительно более привлекательной. Это, правда, касается, в основном, водонагревателей до 1000 л. Двух, трех, а тем более пятитысячные емкости изготавливают обычно на заказ, а штучные экземпляры низкой ценой отличаются редко.
К тому же, необходимость вмещать большой объем воды, да еще под избыточным давлением, повышает требования к изготовлению сварных швов, вынуждает к использованию несколько иных технологий и материалов. Все, конечно, данный факт осознают, но желание сократить первоначальные и последующие капиталовложения от этого не уменьшается. Рассмотрим, каким образом это можно сделать без ущерба для безопасности и качества ГВС в рамках продукции выбранного производителя.
Подумаем, какие изменения можно при этих условиях внести в спецификацию. Очевидны два направления для размышлений: уточнение исходных данных для нового расчета и использование современных технологических решений.
Уточнение исходных данных
В ряде случаев может получиться, что после детального рассмотрения предполагаемого режима работы бойлера изначально рассчитанные параметры окажутся избыточными. Разберем для наглядности пример. Заказчик озвучил пожелание: в душевую предприятия требуется прибор, способный обеспечить 30 л/мин. 45-градусной воды при температуре на входе 10 °C. Первичные расчеты производятся по общим формулам (1) и (2).
Q = cmсмеш(tсмеш – tхол), (1)
где Q — энергия, которую необходимо затратить для нагрева воды, Дж; c — удельная теплоемкость воды, которая при 10 °C равна 4,192 кДж/(кг⋅°C); mсмеш — масса нагреваемой воды, кг; tсмеш — необходимая температура нагретой воды; tхол — температура нагреваемой воды. Для простоты расчетов удельную теплоемкость воды обычно принимают равной 4,2 кДж/(кг⋅°C), а массу воды m численно приравнивают к ее объему V в литрах (m = ρV, где ρ — плотность воды, которая при 10 °C равна 0,99973 г/см3).
P = Q/τ, (2)
где P — требуемая мощность для нагрева данного объема воды на указанную разницу температур, кВт; τ — время нагрева, с. Подставив исходные данные в формулы (1) и (2) и не забыв перевести минуты в секунды, получаем, что для обеспечения заданного протока требуется водонагреватель мощностью 73,5 кВт:
Эта цифра ставится в проект, а в спецификацию попадает производитель с моделью, готовой принять нагревательные элементы достаточной мощности. Объем при этом учитывается только в том смысле, что не любая емкость может быть оснащена сколь угодно серьезными ТЭНами: в водонагреватели малого литража мощные нагревательные элементы не помещаются по длине. Полученный результат, безусловно, на все 100 % подходит для описанного в примере случая, однако, вероятно, является несколько избыточным.
Прежде всего потому, что подобранный водонагреватель сможет обеспечивать указанный проток все 24 ч в сутки. Стоит задуматься, нужно ли это? Здравый смысл подсказывает, что, поскольку это душевая, а не непрерывный технологический процесс, потребность в горячей воде возникает пиковая, в момент начала и окончания смен, а вовсе не постоянная, как было рассчитано ранее. Кроме того, не стоит забывать, что, чем больше емкость, тем выше суточные теплопотери, которые в бойлерах объемом в тысячи литров могут достигать нескольких десятков киловатт в сутки.
Это приводит к дополнительным, ничем не оправданным эксплуатационным расходам. Кстати, теплопотери тоже необходимо учитывать при расчете нагревателя. Итак, уточнив у заказчика продолжительной нагрузки, выясняем, что бойлер будет работать всего 3 ч в сутки, по часу из каждых восьми часов, а оставшиеся время стоять без дела. Новая информация позволяет нам выполнить уточненный расчет, учитывающий период простоя, в который можно медленно и спокойно нагревать холодную воду, а также температуру нагретой воды в самом бойлере.
В первичном расчете, ввиду проточного режима конечного результата, последний параметр не учитывался, а зря: зачем ставить емкостной водонагреватель и не пользоваться возможностью предварительного нагрева? Можно было бы тогда приобрести несколько проточников — налицо экономия места, электроэнергии на теплопотери, укрепления перекрытий под тонну воды и финансов.
А вот для пиковых нагрузок подойдет как раз бойлер. Для начала посчитаем, какой общий объем воды из водонагревателя будет потрачен за один час интенсивного использования. Поскольку требуется не кипяток, а разбавленная вода, используем выведенное из формулы (1) выражение:
cmгор(tсмеш – tгор) + cmхол(tсмеш – tхол) = 0, (3)
где mгор — масса горячей воды в бойлере; tгор — температура горячей воды в бойлере. Очевидно, что смешанной воды потребуется 30 л/мин × 60 мин = 1800 л. Результат этот, собственно, уже сам по себе интересен тем, что определяет максимальный объем, который может потребоваться, а, следовательно, позволяет оценить максимальную емкость бойлера даже при проточном варианте нагрева.
Однако вернемся к пиковым нагрузкам. Горячей воды с температурой 85 °C, на которую рассчитаны большинство современных емкостных водонагревателей, исходя из формулы (3), потребуется 840 л. Остановимся предварительно на водонагревательной емкости 800 л и посмотрим, какая мощность потребуется для нагрева 0,8 кубов воды до температуры 85 °C за 7 ч простоя. Из формул (1) и (2) получаем скромный по сравнению с первоначальным вариантом результат — 10 кВт.
Мы округлили объем горячей воды в меньшую сторону ввиду того, что за тот час, когда происходит интенсивный водоразбор, нагрев воды будет продолжаться. Формулы (1) и (2) подсказывают, что нагрето будет 115 л при недостающих 40 л. Восьмисотлитровый вариант принимается. А теперь выполним т.н. «проверку», для чего обратимся к водонагревателю меньшей емкости на предмет его возможного соответствия указанным требованиям.
В нашем случае это будет емкость 600 л. Нехватка горячей воды к моменту начала пикового расхода будет составлять 240 л. При этом, как мы подсчитали ранее, за час 10-киловаттный ТЭН может нагреть всего 115 л. Для подготовки 240 л горячей воды нам уже требуется вдвое более мощный нагревательный элемент. Такой вариант, хоть и менее эффективный, тоже может быть предложен в качестве альтернативы ввиду меньших габаритов, вероятно меньшей стоимости и разных субъективных факторов.
Сделаем поправку на теплопотери. Водонагревательные емкости такого размера теряют обычно по 3,5–4 кВт⋅ч в сутки, что эквивалентно 1,2–1,3 кВт за один восьмичасовой цикл. Итогом уточненных расчетов стало значительное снижение мощности требуемого оборудования и уточнение объема водонагревателя. Мы установили, что для достижения необходимого уровня комфорта будет достаточно 800-литрового водонагревателя мощностью 11,3 кВт или 600-литрового бойлера мощностью 22,2 кВт.
Полученный результат повлиял не только на стоимость комплекта, но и на срок поставки (чем менее мощное и крупное оборудование, тем с большей вероятностью оно окажется в наличии на складе поставщика), а также на дополнительные затраты, связанные, например, с необходимостью прокладки мощного электрокабеля, вернее, с отсутствием такой необходимости. Изыскать 20, и уже тем более 10 кВт свободной мощности, несомненно, гораздо проще, чем 70.
Использование современных технологий
Для снижения эксплуатационных расходов иногда рекомендуется потратить несколько больше денег в момент приобретения оборудования. Разнообразные приспособления помогут обеспечить бесперебойную и долговечную эксплуатацию, а потому окупятся в течение нескольких лет.
Термостат
Термостатическая перемычка между горячей трубой на выходе из водонагревателя и трубопроводом холодной воды обеспечит предварительное смешивание, в результате которого кипяток остужается до приемлемого значения, что позволяет предотвратить случайные ожоги и снизить время, вхолостую потраченное на подбор температуры душа — а это увеличенная пропускная способность душевой кабины и несколько сэкономленных десятков литров горячей воды каждый день.
Анод с внешним питанием
В отличие от штатного магниевого анода, имеющего тенденцию к растворению, анод с внешним питанием, если можно так выразиться, вечен, поскольку обеспечивает электронную катодную защиту накопительного водонагревателя от коррозии в течение всего срока его эксплуатации. Система включает в себя потенциостат (генератор импульсов) и анодный стержень из титана с покрытием из смешанных оксидов.
Они соединяются между собой кабелем, электропитание системы осуществляется от сети 230 В. Цель активной катодной защиты — предотвращение коррозии металла емкости в местах дефектов пассивной изоляции (внутреннего покрытия водонагревательной емкости, например, эмали), которые появились в результате старения изоляционного материала.
Принцип действия катодной защиты основан на свойстве большинства металлов (в т.ч. и стали) отдавать электроны в силу отрицательного электродного потенциала, вследствие чего в процессе коррозии они окисляются. Если на защищаемый объект подать некий дополнительный положительный потенциал, то вероятность окислительной реакции падает почти до нуля.
Для этого водонагревательная емкость соединяется с отрицательным полюсом системы катодной защиты, а положительный полюс системы соединяется с анодным заземлением. Потенциостат в импульсном режиме посылает защитный ток через титановый анод, расположенный внутри водонагревательной емкости. В перерыве между импульсами измеряется разность потенциалов между анодом и корпусом водонагревательной емкости.
Полученное значение сравнивается с эталонным. Генерируемый потенциостатом защитный ток во время следующего импульса корректируется с тем расчетом, чтобы эталонная разность потенциалов поддерживалась постоянно. Заменять штатный магниевый анод на «вечный», в целях более рационального использования ресурсов, имеет смысле после растворения первого, а не сразу после покупки.
Рециркуляция
Каждый напольный бойлер имеет штуцер для подключения линии рециркуляции. Она очень пригодится, особенно если водонагреватель расположен вдали от водоразборных точек. Циркуляционный насос тратит совсем немного энергии, зато не дает воде в трубах остыть во время простоя системы. Налицо экономия воды, которую не придется сливать в ожидании теплой порции из бойлера, а также повышение комфорта для пользователей, не привыкших к ледяным обливаниям.
Теплоизоляция
Сохранение целостности теплоизоляции водонагревательной емкости — залог эффективного поддержания установленной температуры в течение долгого времени. Не повредит также и теплоизоляция труб подачи горячей воды к точкам водоразбора: догрев остывшей воды придется проводить значительно реже.
Теплообменник вместо ТЭНа
Детально изучив возможности здания и прилегающей к нему местности, внимательный проектировщик обнаружит тепловыделяющие конструкции, которые можно бесплатно или почти бесплатно приспособить для нагрева воды, что позволит снизить потребление электроэнергии. Как уже говорилось выше, водонагревательные емкости нередко имеют несколько отверстий: в одно из них, обычно нижнее, монтируется ТЭН как более мощный источник нагрева, а в другое можно вставить теплообменник, осуществляющий дополнительный нагрев.
Дешевое тепло выделяют теплоцентрали и газовые теплогенераторы. «Даровое» тепло, бесполезно улетающее в атмосферу, можно найти в системах вентиляции и дымоудаления. Существуют установки, способные получать энергию из солнечного тепла, ветра, грунтовых и поверхностных вод, биологических отходов.
Умение просчитывать на несколько лет вперед поможет выбрать наиболее эффективный источник нагрева, который оправдает первоначальные затраты, в том числе за счет комплексного его использования для различных прочих нужд помимо нагрева воды: для отопления, приготовления пищи, производства электроэнергии и пр.
