Нагрев воды — это процесс теплопередачи, который использует источник энергии для нагрева воды выше ее начальной температуры. Типичные бытовые применения горячей воды включают приготовление пищи, уборку, купание и отопление помещений. В промышленности горячая вода и вода, нагретая до состояния пара, имеют множество применений.
В быту вода традиционно нагревается в сосудах, известных как водонагреватели , чайники , котлы , горшки или котлы . Эти металлические сосуды, которые нагревают партию воды, не производят непрерывную подачу нагретой воды при заданной температуре. Редко, горячая вода встречается естественным образом, обычно из природных горячих источников . Температура меняется в зависимости от скорости потребления, становясь холоднее по мере увеличения расхода.
Устройства, обеспечивающие постоянную подачу горячей воды, называются водонагревателями , водонагревателями , баками для горячей воды , бойлерами , теплообменниками , гейзерами (Южная Африка и арабский мир) или калориферами . Эти названия зависят от региона, от того, нагревают ли они питьевую или непитьевую воду, используются ли они в бытовых или промышленных целях, а также от источника энергии. В бытовых установках питьевая вода, нагретая для использования, отличного от отопления помещений, также называется горячей водой для бытового потребления ( ГВС ).
Ископаемое топливо ( природный газ , сжиженный нефтяной газ , нефть ) или твердое топливо обычно используются для нагрева воды. Они могут потребляться напрямую или могут вырабатывать электричество, которое, в свою очередь, нагревает воду. Электричество для нагрева воды может также поступать из любого другого электрического источника, такого как ядерная энергия или возобновляемая энергия . Альтернативная энергия, такая как солнечная энергия , тепловые насосы , рециркуляция тепла горячей воды и геотермальное отопление , также может нагревать воду, часто в сочетании с резервными системами, работающими на ископаемом топливе или электричестве.
Густонаселенные городские районы некоторых стран обеспечивают централизованное отопление горячей водой. Это особенно актуально в Скандинавии , Финляндии и Польше . Системы централизованного отопления поставляют энергию для нагрева воды и отопления помещений от установок комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), таких как мусоросжигательные заводы , центральные тепловые насосы, отработанное тепло от промышленности, геотермальное отопление и центральное солнечное отопление . Фактический нагрев водопроводной воды осуществляется в теплообменниках в помещениях потребителей. Как правило, у потребителя нет резервной системы в здании, поскольку избыточность обычно значительна со стороны централизованного теплоснабжения.
Сегодня в Соединенных Штатах бытовая горячая вода, используемая в домах, чаще всего нагревается с помощью природного газа, электрического сопротивления или теплового насоса. Электрические водонагреватели с тепловым насосом значительно эффективнее электрических водонагревателей с сопротивлением, но и более дороги в покупке. Некоторые энергетические компании предлагают своим клиентам финансирование, чтобы помочь компенсировать более высокую первоначальную стоимость энергоэффективных водонагревателей.
Горячая вода, используемая для отопления помещений, может нагреваться с помощью ископаемого топлива в бойлере, в то время как питьевая вода может нагреваться в отдельном приборе. Это обычная практика в США, особенно когда обычно используется отопление помещений теплым воздухом. [1]
В бытовом и коммерческом использовании большинство водонагревателей в Северной Америке и Южной Азии являются водонагревателями резервуарного типа, также называемыми водонагревателями с накопительным водонагревателем . Они состоят из цилиндрического сосуда или контейнера, который постоянно поддерживает воду горячей и готовой к использованию. Типичные размеры для бытового использования составляют от 75 до 400 л (от 20 до 100 галлонов США). Они могут использовать электричество , природный газ , пропан , печное топливо , солнечную энергию или другие источники энергии. Водонагреватели на природном газе наиболее популярны в США и большинстве европейских стран, поскольку газ часто удобно подается по трубам в города и поселки и в настоящее время является самым дешевым в использовании. В Соединенных Штатах типичные водонагреватели на природном газе для домохозяйств без необычных потребностей имеют объем 150–190 л (40–50 галлонов США) с горелкой мощностью 10,0–11,7 киловатт (34 000–40 000 БТЕ/ч).
Это популярное расположение, где более высокие скорости потока требуются в течение ограниченных периодов времени. Вода нагревается в сосуде под давлением, который может выдерживать гидростатическое давление, близкое к давлению входящей магистрали. Редукционный клапан давления иногда используется для ограничения давления до безопасного для сосуда уровня. В Северной Америке эти сосуды называются баками для горячей воды и могут включать в себя электрический резистивный нагреватель, тепловой насос или газовую или масляную горелку, которая нагревает воду напрямую.
Там, где установлены водогрейные котлы для отопления помещений, бытовые водонагреватели обычно нагреваются косвенно первичной водой из котла или электрическим погружным нагревателем (часто в качестве резервного для котла). В Великобритании эти сосуды называются косвенными и прямыми цилиндрами соответственно. Кроме того, если эти цилиндры являются частью герметичной системы, обеспечивающей горячую воду под давлением в сети, они известны как невентилируемые цилиндры. В США, при подключении к котлу, они называются водонагревателями с косвенным нагревом .
По сравнению с безнапорными водонагревателями, водонагреватели с накопительным водонагревателем имеют преимущество в том, что они используют энергию (газ или электричество) относительно медленно, сохраняя тепло для последующего использования. Недостатком является то, что со временем тепло выходит через стенку бака, и вода остывает, активируя систему отопления для повторного нагрева воды, поэтому инвестирование в бак с лучшей изоляцией повышает эту резервную эффективность. [2] Кроме того, когда интенсивное использование исчерпывает горячую воду, возникает значительная задержка, прежде чем горячая вода снова станет доступной. Большие баки, как правило, обеспечивают горячую воду с меньшими колебаниями температуры при умеренном расходе.
Водонагреватели с накопительным объемом в США и Новой Зеландии обычно представляют собой вертикальные цилиндрические баки, обычно стоящие на полу, «цилиндрическом поддоне» или на платформе, приподнятой на небольшое расстояние над полом. Водонагреватели с накопительным объемом в Испании обычно горизонтальные. В Индии они в основном вертикальные. В квартирах их можно устанавливать в потолочном пространстве над прачечными и подсобными помещениями. В Австралии в основном использовались газовые и электрические наружные баки-нагреватели (с высокими температурами для увеличения эффективной мощности), но солнечные баки на крыше становятся модными.
Миниатюрные электрические водонагреватели с точечным использованием (POU) емкостью от 8 до 32 л (2–6 галлонов) предназначены для установки в кухонных и ванных шкафах или на стене над раковиной. Обычно они используют маломощные нагревательные элементы , около 1 кВт - 1,5 кВт, и могут обеспечивать горячую воду достаточно долго для мытья рук или, если они подключены к существующей линии горячей воды, до тех пор, пока горячая вода не поступит из удаленного водонагревателя большой мощности. Их можно использовать, когда модернизация здания с помощью водопровода с горячей водой слишком затратна или непрактична. Поскольку они поддерживают температуру воды термостатически, они могут обеспечивать только непрерывный поток горячей воды при чрезвычайно низких расходах, в отличие от водонагревателей большой мощности без бака.
В тропических странах, таких как Сингапур и Индия, водонагреватель накопительного типа может варьироваться от 10 л до 35 л. Меньших водонагревателей достаточно, так как температура окружающей среды и температура входящей воды умеренные. В самых холодных регионах Индии, таких как Кашмир, люди в основном зависят от электрических водонагревателей накопительного типа. В основном электрические водонагреватели накопительного типа объемом 50 л или 75 л подключаются к верхнему источнику воды.
Решение о расположении водонагревателей может быть принято между водонагревателями в точке использования и централизованными водонагревателями. Централизованные водонагреватели более традиционны и по-прежнему являются хорошим выбором для небольших зданий. Для больших зданий с непостоянным или случайным использованием горячей воды лучшим выбором могут быть несколько водонагревателей POU, поскольку они могут сократить длительное ожидание подачи горячей воды от удаленного водонагревателя. Решение о том, где разместить водонагреватель(и), лишь частично не зависит от выбора водонагревателя с резервуаром или без резервуара или выбора источника энергии для тепла. [ необходима цитата ]
Водонагреватели без бака, также называемые проточными, встроенными, флэш-, по требованию или мгновенно включаемыми водонагревателями, набирают популярность. [ необходима цитата ] Эти водонагреватели высокой мощности мгновенно нагревают воду, протекающую через устройство, и не задерживают внутри воду, за исключением той, что находится в змеевике теплообменника. Медные теплообменники предпочтительны в этих устройствах из-за их высокой теплопроводности и простоты изготовления.
Проточные водонагреватели могут быть установлены в домашнем хозяйстве в более чем одной точке использования (POU), вдали от центрального водонагревателя, или более крупные централизованные модели могут по-прежнему использоваться для обеспечения всех потребностей в горячей воде для всего дома. Основными преимуществами проточных водонагревателей являются обильный непрерывный поток горячей воды (по сравнению с ограниченным потоком непрерывно нагретой горячей воды от обычных водонагревателей с баком) и потенциальная экономия энергии при некоторых условиях. Главным недостатком является их гораздо более высокая первоначальная стоимость; исследование, проведенное в США в Миннесоте, показало, что проточные водонагреватели окупаются за 20–40 лет. [ необходима цитата ] По сравнению с менее эффективным газовым водонагревателем, природный газ по требованию будет стоить на 30% больше в течение срока службы. [ сомнительно – обсудить ] [ необходима цитата ]
Автономные приборы для быстрого нагрева воды для бытового использования известны в Северной Америке как водонагреватели без бака или водонагреватели по требованию . В некоторых местах их называют многоточечными нагревателями , гейзерами или аскотами . В Австралии и Новой Зеландии их называют проточными водонагревателями . В Аргентине их называют калефонами . В этой стране калефоны используют газ вместо электричества, хотя газовые водонагреватели без бака можно найти и в других странах. Похожий прибор на дровах был известен как нагреватель щепы .
Распространенная схема, в которой используется водяное отопление помещений, заключается в том, что котел также нагревает питьевую воду , обеспечивая непрерывную подачу горячей воды без дополнительного оборудования. Устройства, которые могут обеспечивать как отопление помещений, так и бытовую горячую воду, называются комбинированными (или комби ) котлами. Хотя нагреватели по требованию обеспечивают непрерывную подачу бытовой горячей воды, скорость, с которой они могут ее производить, ограничена термодинамикой нагрева воды из имеющихся запасов топлива.
Электрическая душевая головка имеет электрический нагревательный элемент, который нагревает воду, проходя через нее. Эти самонагревающиеся душевые головки являются специализированными водонагревателями без бака, работающими в точке использования (POU), и широко используются в некоторых странах.
Изобретенный в Бразилии в 1930-х годах из-за отсутствия централизованного газоснабжения и часто используемый с 1940-х годов, электрический душ является бытовым прибором, который часто можно увидеть в странах Южной и Центральной Америки из-за более высокой стоимости газоснабжения в сочетании с домохозяйствами, которые в большинстве случаев не поддерживают обычные водонагреватели. Более ранние модели изготавливались из хромированной меди или латуни, которые были дорогими, но с 1970 года устройства из литьевого пластика стали популярными из-за низкой цены, аналогичной цене фена.
Электрические души имеют простую электрическую систему, работающую как кофеварка, но с большим потоком воды. Переключатель потока включает устройство, когда через него течет вода. Как только вода останавливается, устройство автоматически выключается. Обычный электрический душ часто, но не всегда, имеет три настройки нагрева: высокую (5,5 кВт), низкую (2,5 кВт) или холодную (0 Вт) для использования при наличии системы центрального отопления или в жаркое время года. Также производятся версии с большей мощностью (до 7,5 кВт) и меньшей мощностью (до 3,2 кВт), а также версии с 4 настройками нагрева или переменной настройкой нагрева.
Последние достижения в области солнечных водонагревателей, такие как вакуумные трубчатые коллекторы, значительно повысили эффективность, особенно в холодном климате». (Источник: Solar Water Heating - Wikipedia ).
Следует также отметить, что такие страны, как Китай, лидируют в использовании солнечного водонагрева, на их долю приходится более 70% мировых мощностей». (Источник: Солнечное водонагревание - Википедия )
Потребляемая мощность электрических душей в режиме максимального нагрева составляет около 5,5 кВт для 120 В и 7,5 кВт для 220 В. Более низкие затраты на электрические души по сравнению с более высокими затратами на бойлеры с баком обусловлены временем использования: электрический душ использует энергию только во время потока воды, в то время как бойлер с баком работает много раз в день, чтобы поддерживать количество стоячей воды горячей для использования в течение дня и ночи. Более того, передача электроэнергии воде в электрической душевой головке очень эффективна, приближаясь к 100%. Электрические души могут экономить энергию по сравнению с электрическими нагревателями с баком, которые теряют часть тепла в режиме ожидания.
.jpg/1280px-1500W_Immersion_Rod_(15).jpg)
Существует широкий ассортимент электрических душевых головок с различными конструкциями и типами управления нагревом. Нагревательный элемент электрического душа погружается в поток воды, используя часто заменяемый нихромовый резистивный нагревательный элемент, который часто не имеет оболочки и электрически изолирован, в этом случае изоляция обеспечивается заземляющими электродами, которые непосредственно касаются воды перед тем, как она выйдет из головки. Электрические душевые головки с защищенными и электрически изолированными нагревательными элементами часто продаются как таковые ( chuveiros blindados на португальском языке) и стоят дороже. Из-за стандартов электробезопасности, а также стоимости современные электрические души изготавливаются из пластика вместо использования металлических корпусов, как в прошлом.
Как электроприбор, который потребляет больше тока, чем стиральная машина или фен, установка электрического душа требует тщательного планирования и, как правило, предназначена для подключения напрямую от распределительной коробки с выделенным автоматическим выключателем и системой заземления. Плохо установленная система со старыми алюминиевыми проводами, плохими соединениями или неподключенным заземляющим проводом (что часто бывает) может быть опасной, так как провода могут перегреться или электрический ток может протекать через поток воды через тело пользователя на землю. [3]
Все чаще используются водонагреватели на солнечных батареях . Их солнечные коллекторы устанавливаются снаружи жилищ, как правило, на крыше или стенах или поблизости, а резервуар для хранения питьевой горячей воды обычно представляет собой уже существующий или новый обычный водонагреватель или водонагреватель, специально разработанный для солнечной тепловой энергии. На Кипре и в Израиле 90 процентов домов имеют солнечные водонагревательные системы. [4]
Самые основные солнечные тепловые модели — это модели прямого нагрева, в которых питьевая вода напрямую отправляется в коллектор. Говорят, что многие такие системы используют встроенное хранилище коллектора (ICS), поскольку системы прямого нагрева обычно имеют хранилище, встроенное в коллектор. Прямой нагрев воды по своей сути более эффективен, чем косвенный нагрев через теплообменники, но такие системы обеспечивают очень ограниченную защиту от замерзания (если вообще обеспечивают), могут легко нагревать воду до температур, небезопасных для бытового использования, а системы ICS страдают от серьезных потерь тепла в холодные ночи и холодные пасмурные дни.
Напротив, косвенные или замкнутые системы не пропускают питьевую воду через панели, а вместо этого прокачивают через панели теплоноситель (воду или смесь воды и антифриза). После сбора тепла в панелях теплоноситель проходит через теплообменник , передавая свое тепло питьевой горячей воде. Когда панели холоднее, чем накопительный бак, или когда накопительный бак уже достиг максимальной температуры, контроллер в замкнутых системах останавливает циркуляционные насосы. В системе обратного слива вода сливается в накопительный бак, находящийся в кондиционируемом или полукондиционируемом пространстве, защищенном от замерзания. Однако в системах с антифризом насос должен работать, если температура панели становится слишком высокой (для предотвращения деградации антифриза) или слишком низкой (для предотвращения замерзания смеси воды и антифриза).
Плоские панельные коллекторы обычно используются в системах с замкнутым контуром. Плоские панели, которые часто напоминают световые люки , являются наиболее долговечным типом коллектора, и они также имеют наилучшую производительность для систем, рассчитанных на температуру в пределах 56 °C (100 °F) от температуры окружающей среды . Плоские панели регулярно используются как в системах с чистой водой, так и в системах с антифризом.
Другой тип солнечного коллектора — вакуумный трубчатый коллектор , который предназначен для холодного климата, где нет сильного града, и/или для применений, где требуются высокие температуры (например, более 94 °C [201 °F]). Размещенные в стойке, вакуумные трубчатые коллекторы образуют ряд стеклянных трубок, каждая из которых содержит абсорбционные ребра, прикрепленные к центральному теплопроводящему стержню (медному или конденсационному). Описание «вакуумный» относится к вакууму, создаваемому в стеклянных трубках в процессе производства, что приводит к очень низким потерям тепла и позволяет вакуумным трубчатым системам достигать экстремальных температур, намного превышающих точку кипения воды.
В таких странах, как Исландия и Новая Зеландия , а также в других вулканических регионах нагрев воды может осуществляться с помощью геотермального тепла , а не сжигания.
В Великобритании и Ирландии, где используется котел для отопления помещений, традиционное решение заключается в использовании подогретой котлом ( первичной ) воды для нагрева питьевой ( вторичной ) воды, содержащейся в цилиндрическом сосуде (обычно из меди), которая подается из резервуара или контейнера для хранения холодной воды, обычно находящегося в пространстве на крыше здания. Это обеспечивает довольно стабильную подачу ГВС (бытовой горячей воды) при низком статическом напоре , но обычно с хорошим потоком . В большинстве других частей света водонагревательные приборы не используют резервуар или контейнер для хранения холодной воды, а нагревают воду при давлении, близком к давлению входящего водопроводного водоснабжения .
Другие усовершенствования водонагревателей включают обратные клапаны на входе и выходе, таймеры циклов, электронное зажигание в случае моделей, использующих топливо, герметичные системы забора воздуха в случае моделей, использующих топливо, и изоляцию труб. Герметичные типы систем забора воздуха иногда называют «ленточно- балочными » впускными устройствами. «Высокоэффективные» конденсационные устройства могут преобразовывать до 98% энергии топлива в нагрев воды. Выхлопные газы сгорания охлаждаются и механически вентилируются либо через крышу, либо через внешнюю стену. При высокой эффективности сгорания необходимо предусмотреть слив для отвода воды, конденсированной из продуктов сгорания, которые в основном представляют собой углекислый газ и водяной пар.
В традиционной сантехнике в Великобритании котел для отопления помещений устанавливается для нагрева отдельного водонагревателя или водонагревателя для питьевой воды. Такие водонагреватели часто оснащаются вспомогательным электрическим погружным нагревателем для использования, если котел не работает в течение некоторого времени. Тепло от котла для отопления помещений передается в сосуд/контейнер водонагревателя с помощью теплообменника, и котел работает при более высокой температуре, чем питьевая горячая вода. Большинство водонагревателей для питьевой воды в Северной Америке полностью отделены от отопительных приборов из-за популярности систем HVAC / принудительной подачи воздуха в Северной Америке.
Бытовые водонагреватели, производимые с 2003 года в США, были перепроектированы для предотвращения возгорания горючих паров и оснащены тепловым выключателем в соответствии с ANSI Z21.10.1. Первая функция пытается предотвратить возгорание паров горючих жидкостей и газов вблизи нагревателя, что может привести к пожару или взрыву дома. Вторая функция предотвращает перегрев бака из-за необычных условий горения. Эти требования безопасности были введены в ответ на хранение или проливание бензина или других горючих жидкостей вблизи водонагревателей, что приводит к пожарам. Поскольку большинство новых конструкций включают в себя какой-либо тип экрана пламегасителя , они требуют контроля, чтобы убедиться, что они не засоряются ворсом или пылью, что снижает доступность воздуха для горения. Если пламегаситель засоряется, тепловой выключатель может отключить нагреватель.
Печь с мокрой крышкой ( Новая Зеландия ), нагреватель с мокрой крышкой (Новая Зеландия) или бойлер с обратной стороной (Великобритания) — это простой бытовой вторичный водонагреватель, использующий побочное тепло. Обычно он состоит из трубы с горячей водой, проходящей за камином или печью (а не накопителем горячей воды ), и не имеет возможности ограничивать нагрев. Современные печи с мокрой крышкой могут использовать трубу в более сложной конструкции для содействия теплообмену . Такие конструкции вытесняются государственными нормами эффективности, которые не учитывают энергию, используемую для нагрева воды, как «эффективно» использованную. [5]
Другой тип водонагревателя, разработанный в Европе, предшествовал модели с накопителем. В Лондоне, Англия, в 1868 году художник Бенджамин Уодди Моган изобрел первый проточный бытовой водонагреватель, который не использовал твердое топливо . Названный гейзером в честь исландского фонтанирующего горячего источника, изобретение Могана заставило холодную воду наверху течь по трубам, которые нагревались горячими газами от горелки внизу. Затем горячая вода текла в раковину или ванну. Изобретение было несколько опасным, поскольку не было дымохода для отвода нагретых газов из ванной комнаты. Водонагреватель до сих пор иногда называют гейзером в Великобритании и Южной Африке.
Изобретение Мона повлияло на работу норвежского инженера-механика Эдвина Рууда . Первый автоматический газовый водонагреватель с накопительным баком был изобретен около 1889 года Руудом после того, как он иммигрировал в Питтсбург , штат Пенсильвания (США). Компания Ruud Manufacturing Company, существующая и по сей день, внесла множество усовершенствований в конструкцию и эксплуатацию водонагревателей с накопительным и безнапорным баком.
Вода обычно поступает в жилые дома в США при температуре около 10 °C (50 °F), в зависимости от широты и сезона. Температура горячей воды 50 °C (122 °F) обычна для мытья посуды, стирки и принятия душа, что требует, чтобы нагреватель повышал температуру воды примерно до 40 °C (72 °F), если горячая вода смешивается с холодной водой в точке использования. Единый сантехнический кодекс справочный расход душа составляет 9,5 л (2,5 галлона США) в минуту. Расход раковины и посудомоечной машины колеблется от 4 до 11 л (1–3 галлона США) в минуту.
Природный газ часто измеряется по объему или теплосодержанию. Обычными единицами измерения по объему являются кубические метры или кубические футы при стандартных условиях или по теплосодержанию в киловатт-часах , британских тепловых единицах (БТЕ) или термах , что равно 100 000 БТЕ. БТЕ — это энергия, необходимая для нагрева одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Американский галлон воды весит 8,3 фунта (3,8 кг). Чтобы нагреть 230 л (60 галлонов США) воды с 10 °C (50 °F) до 50 °C (122 °F) с эффективностью 90 %, требуется 60 × 8,3 × (122 − 50) × 1,11 = 39 840 БТЕ . Нагревателю мощностью 46 кВт (157 000 БТЕ/ч), который может быть в безбаковом нагревателе, потребуется около 15 минут, чтобы сделать это. При цене $1 за терм стоимость газа составит около 40 центов. Для сравнения, типичный электрический водонагреватель емкостью 230 л (60 галлонов США) имеет нагревательный элемент мощностью 4,5 кВт (15 000 БТЕ/ч), что при 100% эффективности обеспечивает время нагрева около 2,34 часа. При цене $0,16/кВт-ч стоимость электроэнергии составит $1,68.
Энергоэффективность водонагревателей в жилых помещениях может значительно различаться, особенно в зависимости от производителя и модели. Однако электрические нагреватели, как правило, немного более эффективны (не считая потерь на электростанции), а эффективность рекуперации (эффективность передачи энергии воде) достигает около 98%. Газовые нагреватели имеют максимальную эффективность рекуперации всего около 82–94% (оставшееся тепло теряется с дымовыми газами). Общие энергетические коэффициенты могут быть всего 80% для электрических и 50% для газовых систем. Водонагреватели с резервуаром для природного газа и пропана с энергетическим коэффициентом 62% или выше, а также электрические водонагреватели с резервуаром для природного газа и пропана с энергетическим коэффициентом 93% или выше считаются высокоэффективными устройствами. Водонагреватели с резервуаром для природного газа и пропана, имеющие сертификат Energy Star (по состоянию на сентябрь 2010 г.), имеют энергетические коэффициенты 67% или выше, что обычно достигается с помощью прерывистого пилота вместе с автоматической заслонкой дымохода, воздуходувками или принудительной вентиляцией.
Водонагреватели с прямым электрическим сопротивлением не включены в программу Energy Star; однако программа Energy Star включает электрические тепловые насосы с энергетическим коэффициентом 200% или выше. Газовые водонагреватели без бака (по состоянию на 2015 год) должны иметь энергетический коэффициент 90% или выше для квалификации Energy Star. Поскольку производство электроэнергии на тепловых электростанциях имеет уровни эффективности в диапазоне от всего лишь 15% до чуть более 55% ( газовая турбина комбинированного цикла ), а для тепловых электростанций типично около 40%, электрический водонагреватель с прямым сопротивлением может быть наименее энергоэффективным вариантом.
Однако использование теплового насоса может сделать электрические водонагреватели намного более энергоэффективными и привести к снижению выбросов углекислого газа, тем более, если используется источник электроэнергии с низким содержанием углерода . Использование централизованного теплоснабжения , использующего отходящее тепло от производства электроэнергии и других отраслей промышленности для обогрева жилых помещений и горячего водоснабжения, обеспечивает повышение общей эффективности, устраняя необходимость сжигания ископаемого топлива или использования электроэнергии с высокой энергетической ценностью для производства тепла в отдельном доме.
По сути, для нагрева воды требуется много энергии, как это можно почувствовать, ожидая закипания галлона воды на плите. По этой причине водонагреватели без бака по требованию требуют мощного источника энергии. Для сравнения, стандартная настенная электрическая розетка на 120 В, 15 ампер обеспечивает достаточно энергии только для нагрева удручающе малого количества воды: около 0,17 галлона США (0,64 л) в минуту при повышении температуры на 40 °C (72 °F).
Энергию, потребляемую электрическим водонагревателем, можно сократить на целых 18% за счет оптимального графика и контроля температуры, основанного на знании характера использования. [6]
16 апреля 2015 года в рамках Национального закона об энергосбережении бытовой техники (NAECA) вступили в силу новые минимальные стандарты эффективности бытовых водонагревателей, установленные Министерством энергетики США . [7] Все новые газовые водонагреватели с накопительной емкостью емкостью менее 55 галлонов США (210 л; 46 имп галлонов), проданные в США в 2015 году или позже, должны иметь энергетический коэффициент не менее 60% (для устройств емкостью 50 галлонов США, выше для меньших устройств), что выше минимального стандарта в 58% для газовых устройств емкостью 50 галлонов США, действовавшего до 2015 года. Электрические водонагреватели с накопительной емкостью емкостью менее 55 галлонов США, продаваемые в США, должны иметь энергетический коэффициент не менее 95%, что выше минимального стандарта в 90% для электрических устройств емкостью 50 галлонов США, действовавшего до 2015 года.
Согласно стандарту 2015 года, впервые к водонагревателям с накопительным баком емкостью 55 галлонов США или больше предъявляются более строгие требования к эффективности, чем к водонагревателям с емкостью 50 галлонов США или меньше. Согласно стандарту до 2015 года, водонагреватель с газовым накопительным баком емкостью 75 галлонов США (280 л; 62 имп галлона) с номинальной потребляемой мощностью 22 кВт (75 000 БТЕ/ч) или меньше мог иметь энергетический коэффициент всего 53%, в то время как согласно стандарту 2015 года минимальный энергетический коэффициент для водонагревателя с газовым накопительным баком емкостью 75 галлонов США теперь составляет 74%, что может быть достигнуто только при использовании конденсационной технологии. На водонагреватели с накопительным баком емкостью 22 кВт (75 000 БТЕ/ч) или больше в настоящее время эти требования не распространяются, поскольку для таких устройств энергетический коэффициент не определен. Электрический водонагреватель с баком для хранения воды объемом 80 галлонов США (300 л; 67 имп галлонов) мог иметь минимальный энергетический коэффициент 86% в соответствии со стандартом до 2015 года, в то время как в соответствии со стандартом 2015 года минимальный энергетический коэффициент для электрического водонагревателя с баком для хранения воды объемом 80 галлонов теперь составляет 197%, что возможно только при использовании технологии теплового насоса . Этот рейтинг измеряет эффективность в точке использования.
В зависимости от способа генерации электроэнергии общая эффективность может быть намного ниже. Например, на традиционной угольной электростанции только около 30–35% энергии в угле превращается в электричество на другом конце генератора. [8] Потери в электросети (включая потери на линии и потери при трансформации напряжения) еще больше снижают электрическую эффективность. Согласно данным Управления энергетической информации, потери при передаче и распределении в 2005 году составили 6,1% чистой генерации. [8] Напротив, 90% энергетической ценности природного газа доставляется потребителю. [ необходима цитата ] (Ни в одном из случаев энергия, затраченная на разведку, разработку и добычу угольных или газовых ресурсов, не включена в указанные показатели эффективности.) Газовые водонагреватели без бака должны иметь энергетический коэффициент 82% или выше в соответствии со стандартами 2015 года, что соответствует стандарту Energy Star до 2015 года.
В 2022 году Министерство энергетики предложило правила, которые вступят в силу в 2026 году и фактически устранят неэффективные неконденсационные газовые водонагреватели в коммерческих зданиях. Неконденсационные модели тратят тепло, в то время как конденсационные модели улавливают и используют иначе потерянную энергию. [9] Изменение сократит выбросы на 38 миллионов тонн углекислого газа за 30 лет и снизит расходы на электроэнергию в зданиях. [9]
Водонагреватели потенциально могут взорваться и вызвать значительный ущерб, травмы или смерть, если не установлены определенные предохранительные устройства. Предохранительное устройство, называемое клапаном сброса температуры и давления (T&P или TPR), обычно устанавливается на верхней части водонагревателя для сброса воды, если температура или давление становятся слишком высокими. Большинство сантехнических норм требуют, чтобы к клапану была подключена сливная труба, чтобы направить поток сбрасываемой горячей воды в слив, как правило, в близлежащий слив в полу или за пределы жилого помещения. Некоторые строительные нормы позволяют оканчивать сливную трубу в гараже. [10]
Если газовый или пропановый водонагреватель установлен в гараже или подвале, многие сантехнические нормы требуют, чтобы он был поднят как минимум на 18 дюймов (46 см) над полом, чтобы снизить вероятность возгорания или взрыва из-за разлива или утечки горючих жидкостей в гараже. Кроме того, некоторые местные нормы предписывают, чтобы нагреватели резервуарного типа в новых и модернизированных установках были закреплены на смежной стене с помощью ремня или анкера, чтобы предотвратить опрокидывание и разрыв водопроводных и газовых труб в случае землетрясения . [ 11]
Для старых домов, где водонагреватель является частью отопительного котла, и сантехнические нормы это позволяют, некоторые сантехники устанавливают автоматический газовый отсекатель (например, «Watts 210») в дополнение к клапану TPR. Когда устройство определяет, что температура достигает 99 °C (210 °F), оно перекрывает подачу газа и предотвращает дальнейший нагрев. [ необходима цитата ] Кроме того, необходимо установить расширительный бак или внешний предохранительный клапан, чтобы предотвратить разрыв труб, клапанов или водонагревателя из-за повышения давления в водопроводе.
Ожоги — серьезная проблема с любым водонагревателем. Человеческая кожа быстро обгорает при высокой температуре, менее чем за 5 секунд при 60 °C (140 °F), но гораздо медленнее при 53 °C (127 °F) — для ожога второй степени требуется целая минута . Пожилые люди и дети часто получают серьезные ожоги из-за инвалидности или медленной реакции . [12] В Соединенных Штатах и других странах общепринятой практикой является установка клапана регулирования или термостатического смесительного клапана [13] на выходе водонагревателя. Результат автоматического смешивания горячей и холодной воды с помощью клапана регулирования называется «закаленной водой». [14]
Темперирующий клапан смешивает достаточно холодной воды с горячей водой из нагревателя, чтобы поддерживать температуру выходящей воды на более умеренном уровне, часто установленном на 50 °C (122 °F). Без темперирующего клапана снижение заданной температуры водонагревателя является наиболее прямым способом уменьшения ожогов. Однако для санитарных нужд необходима горячая вода с температурой, которая может вызвать ожоги. Этого можно добиться, используя дополнительный нагреватель в приборе, которому требуется более горячая вода. Например, большинство бытовых посудомоечных машин включают в себя внутренний электрический нагревательный элемент для повышения температуры воды выше той, которая обеспечивается бытовым водонагревателем.
На температуру водонагревателя влияют два противоречивых вопроса безопасности — риск ожога чрезмерно горячей водой, превышающей 55 °C (131 °F), и риск инкубации колоний бактерий, особенно легионелл , в воде, которая недостаточно горяча, чтобы убить их. Оба риска потенциально опасны для жизни и уравновешиваются установкой термостата водонагревателя на 55 °C (131 °F). Европейские руководящие принципы по контролю и профилактике легионеллеза, связанного с поездками, рекомендуют хранить горячую воду при температуре 60 °C (140 °F) и распределять ее таким образом, чтобы температура не менее 50 °C (122 °F), а лучше 55 °C (131 °F) достигалась в течение одной минуты в точках использования. [15]
Если посудомоечная машина не имеет нагревателя, для оптимальной очистки может потребоваться вода температурой 57–60 °C (135–140 °F), [16] но для кранов можно использовать клапаны с температурой не выше 55 °C (131 °F), чтобы избежать ожогов. Температура в баке выше 60 °C (140 °F) может привести к образованию известковых отложений, которые впоследствии могут стать средой обитания бактерий в баке для воды. Более высокие температуры также могут усилить травление стеклянной посуды в посудомоечной машине.
Термостаты бака не являются надежным указателем внутренней температуры бака. Газовые баки для воды могут не иметь показанной калибровки температуры. Электрический термостат показывает температуру на высоте термостата, но вода ниже в баке может быть значительно холоднее. Выходной термометр является лучшим индикатором температуры воды. [17]
В отрасли возобновляемой энергии (в частности, солнечной и тепловой насосы) конфликт между ежедневным тепловым контролем легионеллы и высокими температурами, которые могут снизить производительность системы, является предметом жарких споров. В статье, в которой предлагается освобождение от обычных стандартов безопасности легионеллеза, ведущий в Европе технический комитет CEN по солнечной теплообмену TC 312 утверждает, что падение производительности составит 50%, если солнечные водонагревательные системы будут нагреваться до базового уровня ежедневно. Однако некоторые аналитические работы по моделированию солнечной энергии с использованием Polysun 5 показывают, что штраф за потребление энергии в размере 11% является более вероятной цифрой. Независимо от контекста, как требования к энергоэффективности , так и требования к безопасности при ожогах подталкивают к значительно более низким температурам воды, чем температура пастеризации легионеллы около 60 °C (140 °F). [ необходима цитата ]
Legionella pneumophila была обнаружена в точке использования ниже по течению от горизонтально установленных электрических водонагревателей объемом 150 литров. [18]
Однако легионеллу можно безопасно и легко контролировать с помощью хороших проектных и инженерных протоколов. Например, повышение температуры водонагревателей один раз в день или даже один раз в несколько дней до 55 °C (131 °F) в самой холодной части водонагревателя на 30 минут эффективно контролирует легионеллу. Во всех случаях и в частности в энергосберегающих приложениях болезнь легионеров чаще всего является результатом проблем инженерного проектирования, которые не учитывают влияние стратификации или низкого расхода. [ необходима цитата ]
Также возможно контролировать риски легионеллы путем химической обработки воды. Эта технология позволяет поддерживать более низкую температуру воды в трубопроводе без сопутствующего риска легионеллы. Преимущество более низкой температуры трубы заключается в том, что снижается скорость потери тепла и, следовательно, снижается потребление энергии.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )стр.28