Нагрев воды — это процесс передачи тепла, в котором используется источник энергии для нагрева воды выше ее начальной температуры. Типичное бытовое использование горячей воды включает приготовление пищи, уборку, купание и отопление помещений. В промышленности горячая вода и вода, нагретая до пара, имеют множество применений.
В быту воду традиционно нагревают в сосудах, известных как водонагреватели , чайники , котлы , горшки или котлы . Эти металлические сосуды, нагревающие воду, не обеспечивают постоянную подачу нагретой воды заданной температуры. Редко горячая вода встречается естественным путем, обычно из природных горячих источников . Температура меняется в зависимости от скорости потребления и становится прохладнее по мере увеличения расхода.
Приборы, обеспечивающие постоянную подачу горячей воды, называются водонагревателями , водонагревателями , резервуарами для горячей воды , котлами , теплообменниками , гейзерами (Южная Африка и арабский мир) или калориферами . Эти названия зависят от региона, а также 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 целей, отличных от отопления помещений, также называется горячей водой для бытового потребления ( ГВС ).
Для нагрева воды обычно используются ископаемое топливо ( природный газ , сжиженный нефтяной газ , нефть ) или твердое топливо . Они могут потребляться напрямую или производить электроэнергию , которая, в свою очередь, нагревает воду. Электричество для нагрева воды может также поступать из любого другого источника электроэнергии, например, атомной энергии или возобновляемых источников энергии . Альтернативные источники энергии , такие как солнечная энергия , тепловые насосы , утилизация тепла горячей воды и геотермальное отопление , также могут нагревать воду, часто в сочетании с резервными системами, работающими на ископаемом топливе или электричестве.
Густонаселенные городские районы некоторых стран обеспечивают централизованное отопление горячей воды. Особенно это касается Скандинавии , Финляндии и Польши . Системы централизованного теплоснабжения поставляют энергию для нагрева воды и отопления помещений от теплоэлектростанций (ТЭЦ), таких как мусоросжигательные заводы , центральные тепловые насосы, отходящее тепло промышленных предприятий, геотермальное отопление и центральное солнечное отопление . Фактический нагрев водопроводной воды осуществляется в теплообменниках в помещениях потребителей. Как правило, у потребителя нет внутренней резервной системы, поскольку резервирование обычно является значительным на стороне централизованного теплоснабжения.
Сегодня в Соединенных Штатах горячая вода, используемая в домах, чаще всего нагревается природным газом, электрическим сопротивлением или тепловым насосом. Водонагреватели с электрическим тепловым насосом значительно более эффективны, чем водонагреватели с электрическим сопротивлением, но и более дороги в покупке. Некоторые энергетические компании предлагают своим клиентам финансирование, чтобы компенсировать более высокую первоначальную стоимость энергоэффективных водонагревателей.
Горячая вода, используемая для отопления помещений, может нагреваться с помощью ископаемого топлива в котле, а питьевая вода может нагреваться в отдельном приборе. Это обычная практика в США, особенно когда обычно используется отопление помещений теплым воздухом. [1]
В домашнем и коммерческом использовании большинство водонагревателей в Северной Америке и Южной Азии относятся к баковому типу, также называемому накопительными водонагревателями . Они состоят из цилиндрического сосуда или контейнера, в котором вода постоянно остается горячей и готовой к использованию. Типичные размеры для домашнего использования варьируются от 75–400 л (20–100 галлонов США). Они могут использовать электричество , природный газ , пропан , мазут , солнечную энергию или другие источники энергии. Обогреватели, работающие на природном газе, наиболее популярны в США и большинстве европейских стран, поскольку газ часто удобно подводится по трубопроводам по городам и поселкам, и в настоящее время он является самым дешевым в использовании. В Соединенных Штатах типичные газовые водонагреватели для домашних хозяйств без особых потребностей составляют 150–190 л (40–50 галлонов США) с мощностью горелки 10,0–11,7 киловатт (34 000–40 000 БТЕ / ч).
Это популярная схема, когда требуются более высокие скорости потока в течение ограниченного периода времени. Вода нагревается в резервуаре под давлением, который может выдерживать гидростатическое давление, близкое к давлению входящей электросети. Иногда используется редукционный клапан для ограничения давления до безопасного уровня для сосуда. В Северной Америке эти сосуды называются резервуарами для горячей воды и могут включать в себя электрический нагреватель сопротивления, тепловой насос или газовую или масляную горелку, которая нагревает воду напрямую.
Если установлены водогрейные котлы для отопления помещений, бойлеры с горячей водой для бытового потребления обычно нагреваются косвенно за счет первичной воды из котла или с помощью электрического погружного нагревателя (часто в качестве резервного для котла). В Великобритании эти сосуды называются непрямыми цилиндрами и прямыми цилиндрами соответственно. Кроме того, если эти цилиндры являются частью герметичной системы, обеспечивающей горячую воду под давлением, они называются невентилируемыми цилиндрами. В США при подключении к бойлеру их называют водонагревателями косвенного нагрева .
По сравнению с проточными водонагревателями накопительные водонагреватели имеют преимущество в том, что они используют энергию (газ или электричество) относительно медленно, сохраняя тепло для последующего использования. Недостаток заключается в том, что со временем тепло уходит через стенку резервуара, и вода остывает, активируя систему отопления для обратного нагрева воды, поэтому приобретение резервуара с лучшей изоляцией повышает эффективность режима ожидания. [2] Кроме того, когда при интенсивном использовании заканчивается горячая вода, возникает значительная задержка, прежде чем горячая вода снова станет доступной. Резервуары большего размера, как правило, обеспечивают горячую воду с меньшими колебаниями температуры при умеренном расходе.
Объемные накопительные водонагреватели в США и Новой Зеландии обычно представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары, обычно стоящие на полу, «поддоне для цилиндров» или на платформе, поднятой на небольшое расстояние над полом. Объемные накопительные водонагреватели в Испании обычно располагаются горизонтально. В Индии они преимущественно вертикальные. В квартирах их можно монтировать в потолочном пространстве над прачечно-подсобными помещениями. В Австралии в основном используются газовые и электрические наружные обогреватели резервуаров (с высокими температурами для увеличения эффективной мощности), но солнечные резервуары на крыше становятся модными.
Крошечные электрические накопительные водонагреватели для точки использования (POU) емкостью от 8 до 32 л (2–6 галлонов) предназначены для установки в кухонных и ванных шкафах или на стене над раковиной. Обычно в них используются нагревательные элементы малой мощности , от 1 до 1,5 кВт, и они 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 системой горячего водоснабжения слишком дорога или нецелесообразна. Поскольку они поддерживают температуру воды термостатически, они могут подавать непрерывный поток горячей воды только при чрезвычайно низких скоростях потока, в отличие от проточных водонагревателей большой производительности.
В тропических странах, таких как Сингапур и Индия, объем накопительного водонагревателя может варьироваться от 10 до 35 л. Водонагревателей меньшего размера достаточно, поскольку температура окружающей среды и температура поступающей воды умеренные. В самых холодных регионах Индии, таких как Кашмир, люди в основном зависят от электрических водонагревателей накопительного типа. Чаще всего электрические водонагреватели накопительного типа емкостью 50 или 75 л подключаются к верхнему источнику воды.
Решение о размещении водонагревателей может быть принято между точечными и централизованными водонагревателями. Централизованные водонагреватели более традиционны и по-прежнему являются хорошим выбором для небольших зданий. Для более крупных зданий с периодическим или нерегулярным использованием горячей воды несколько водонагревателей POU могут быть лучшим выбором, поскольку они могут сократить длительное ожидание поступления горячей воды от удаленного нагревателя. Решение о том, где разместить водонагреватель(и), лишь частично не зависит от выбора резервуарного или проточного водонагревателя или от выбора источника энергии для обогрева. [ нужна цитата ]
Безрезервуарные водонагреватели, также называемые проточными, непрерывными, линейными, проточными, по требованию или мгновенными водонагревателями, набирают популярность. [ нужна цитата ] Эти мощные водонагреватели мгновенно нагревают воду, протекающую через устройство, и не удерживают воду внутри, за исключением той, которая находится в змеевике теплообменника. В этих агрегатах предпочтение отдается медным теплообменникам из-за их высокой теплопроводности и простоты изготовления.
Безрезервуарные водонагреватели могут быть установлены по всему дому в нескольких точках использования (POU), вдали от центрального водонагревателя, или более крупные централизованные модели по-прежнему могут 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 постоянно нагретой горячей воды от обычных резервуарных водонагревателей) и потенциальная экономия энергии при некоторых условиях. Основным недостатком являются гораздо более высокие первоначальные затраты; Исследование, проведенное в США в Миннесоте, показало окупаемость проточных водонагревателей в течение 20–40 лет. [ нужна цитата ] По сравнению с менее эффективным резервуаром для горячей воды, работающим на природном газе, природный газ по требованию будет стоить на 30% дороже в течение срока его полезного использования. [ сомнительно ] [ нужна ссылка ]
Автономные устройства для быстрого нагрева воды для бытовых нужд известны в Северной Америке как безрезервуарные водонагреватели или водонагреватели по требованию . В некоторых местах их называют многоточечными обогревателями , гейзерами или аскотами . В Австралии и Новой Зеландии их называют проточными водогрейными установками . В Аргентине их называют калефонами . В этой стране вместо электричества используется газ, хотя газовые проточные водонагреватели можно найти и в других странах. Подобный прибор, работающий на дровах, был известен как обогреватель для щепы .
Обычно при обогреве помещения используется бойлер, который также нагревает питьевую воду , обеспечивая непрерывную подачу горячей воды без дополнительного оборудования. Приборы, которые могут обеспечивать как отопление помещений, так и горячее водоснабжение, называются комбинированными (или комбинированными ) котлами. Хотя водонагреватели по требованию обеспечивают непрерывную подачу горячей воды для бытовых нужд, скорость, с которой они могут ее производить, ограничена термодинамикой нагрева воды из имеющихся запасов топлива.
Электрический душ имеет электрический нагревательный элемент, который нагревает воду при ее прохождении. Эти самонагревающиеся душевые насадки представляют собой специализированные проточные водонагреватели (POU) и широко используются в некоторых странах.
Изобретенный в Бразилии в 1930-х годах из-за отсутствия централизованного газораспределения и часто используемый с 1940-х годов, электрический душ представляет собой бытовое устройство, которое часто встречается в странах Южной и Центральной Америки из-за более высоких затрат на газораспределение, а также в домохозяйствах, которые в большинство случаев не поддерживают обычные водонагреватели. Раньше модели изготавливались из хромированной меди или латуни, что было дорого, но с 1970 года модели из литьевого пластика пользуются популярностью из-за низкой цены, аналогичной цене фена.
Электрические души имеют простую электрическую систему, работающую как кофеварка, но с большим потоком воды. Реле протока включает устройство, когда через него протекает вода. После прекращения подачи воды устройство автоматически выключается. Обычный электрический душ часто, но не всегда, имеет три режима нагрева: высокий (5,5 кВт), низкий (2,5 кВт) или холодный (0 Вт) для использования при наличии системы центрального отопления или в жаркое время года. Также выпускаются версии большей мощности (до 7,5 кВт) и меньшей мощности (до 3,2 кВт), а также версии с 4 режимами нагрева или с регулируемым режимом нагрева.
Потребляемая мощность электрического душа в макс. настройка 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 обусловлены временем использования: электрический душ потребляет энергию только пока течет вода, а бойлер-резервуар работает много раз в день, чтобы поддерживать определенное количество стоячей воды горячей для использования в течение дня и ночи. Более того, передача электрической энергии воде в электрическом душе очень эффективна, приближаясь к 100%. Электрические души могут экономить энергию по сравнению с электрическими водонагревателями, которые теряют часть тепла в режиме ожидания.
.jpg/1280px-1500W_Immersion_Rod_(15).jpg)
Существует широкий ассортимент электрических душевых насадок с различными конструкциями и типами управления нагревом. Нагревательный элемент электрического душа погружается в струю воды с использованием часто заменяемого нихромового резистивного нагревательного элемента, который часто не имеет оболочки и электрически изолирован, и в этом случае изоляция обеспечивается заземляющими электродами, которые непосредственно касаются воды перед ее выходом из насадки. . Электрические душевые насадки с закрытыми и электрически изолированными нагревательными элементами часто продаются как таковые ( chuveirosblindos по-португальски) и стоят дороже. Из-за стандартов электробезопасности, а также из-за стоимости современные электрические души изготавливаются из пластика, а не из металлических корпусов, как раньше.
Установка электрического душа, как электроприбора, который потребляет больше электрического тока, чем стиральная машина или фен, требует тщательного планирования и, как правило, предназначена для подключения непосредственно от распределительной коробки со специальным 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 просочиться через поток воды через тело пользователя на землю. [3]
Все чаще используются водонагреватели, работающие на солнечной энергии . Их солнечные коллекторы устанавливаются снаружи жилищ, обычно 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 оснащены солнечными системами нагрева воды. [4]
Самые простые солнечные тепловые модели относятся к типу с прямым коэффициентом усиления, в которых питьевая вода направляется непосредственно в коллектор. Говорят, что во многих таких системах используется интегрированное хранилище коллектора (ICS), поскольку в системах с прямым усилением обычно хранилище интегрировано 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 таковая имеется), 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, системы непрямого или замкнутого цикла не пропускают питьевую воду через панели, а скорее прокачивают теплоноситель (либо воду, либо смесь воды и антифриза) через панели. Собрав тепло в панелях, жидкий теплоноситель проходит через теплообменник , передавая свое тепло горячей питьевой воде. Когда панели холоднее, чем резервуар для хранения, или когда резервуар для хранения уже достиг максимальной температуры, контроллер в системах с замкнутым контуром останавливает циркуляционные насосы. В системе обратного слива вода стекает в накопительный бак, расположенный в кондиционируемом или полукондиционированном помещении, защищенном от отрицательных температур. Однако в системах защиты от замерзания насос необходимо запустить, если температура панели становится слишком высокой (чтобы предотвратить разложение антифриза) или слишком низкой (чтобы предотвратить замерзание смеси воды и антифриза).
Плоские коллекторы обычно используются в системах с замкнутым контуром. Плоские панели, которые часто напоминают мансардные окна , являются наиболее долговечным типом коллекторов, а также имеют наилучшие характеристики для систем, рассчитанных на температуру в пределах 56 °C (100 °F) от температуры окружающей среды . Плоские панели регулярно используются как в системах чистой воды, так и в системах антифриза.
Другой тип солнечного коллектора — это вакуумный трубчатый коллектор , который предназначен для холодного климата, где не бывает сильного града, и/или для применений, где необходимы высокие температуры (т. е. выше 94 °C [201 °F]). Размещенные в стойке вакуумные трубчатые коллекторы образуют ряд стеклянных трубок, каждая из которых содержит поглощающие ребра, прикрепленные к центральному теплопроводящему стержню (медному или конденсационному). Вакуумное описание относится к вакууму, создаваемому в стеклянных трубках во время производственного процесса, что приводит к очень низким потерям тепла и позволяет системам вакуумных трубок достигать экстремальных температур, значительно превышающих точку кипения воды .
В таких странах, как Исландия и Новая Зеландия , а также в других вулканических регионах нагрев воды может осуществляться с использованием геотермального отопления , а не сжигания.
При использовании водогрейного котла в Великобритании традиционно используется нагретая в котле ( первичная ) вода для нагрева питьевой ( вторичной ) воды, содержащейся в цилиндрическом сосуде (обычно сделанном из меди), который подается из водогрейного котла. Емкость или контейнер для хранения холодной воды, обычно находящийся на крыше здания. Это обеспечивает достаточно стабильную подачу горячей воды (горячей воды) при низком статическом напоре , но обычно с хорошим расходом . В большинстве других частей мира водонагревательные приборы не используют резервуар или контейнер для хранения холодной воды, а нагревают воду при давлении, близком к давлению входящей водопроводной воды .
Другие усовершенствования водонагревателей включают устройства обратных клапанов на их входе и выходе, таймеры цикла, электронное зажигание в случае моделей, использующих топливо, герметичные системы впуска воздуха в случае моделей, использующих топливо, и изоляцию труб. Герметичные системы воздухозаборника иногда называют «ленточными » воздухозаборниками. «Высокоэффективные» конденсационные агрегаты могут преобразовывать до 98% энергии топлива для нагрева воды. Выхлопные газы сгорания охлаждаются и механически вентилируются либо через крышу, либо через внешнюю стену. При высокой эффективности сгорания необходимо предусмотреть дренаж для отвода воды, конденсирующейся из продуктов сгорания, которыми в основном являются углекислый газ и водяной пар.
В традиционной водопроводной системе Великобритании котел для отопления помещений предназначен для нагрева отдельного баллона с горячей водой или водонагревателя для горячей питьевой воды. Такие водонагреватели часто оснащаются вспомогательным электрическим погружным нагревателем, который можно использовать, если котел какое-то время не работает. Тепло от котла отопления помещения передается в резервуар/контейнер водонагревателя посредством теплообменника, и котел работает при более высокой температуре, чем горячая вода питьевого качества. Большинство водонагревателей для питьевой воды в Северной Америке полностью отделены от блоков отопления помещений из-за популярности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в Северной Америке.
Водонагреватели для домашнего использования, производимые с 2003 года в США, были модернизированы, чтобы противостоять воспламенению горючих паров и оснащены термовыключателем в соответствии с ANSI Z21.10.1. Первая функция направлена на предотвращение воспламенения паров легковоспламеняющихся жидкостей и газов, находящихся вблизи обогревателя, и, таким образом, вызывающих пожар или взрыв дома. Вторая особенность предотвращает перегрев бака из-за необычных условий горения. Эти требования безопасности были введены в ответ на то, что домовладельцы хранили или проливали бензин или другие легковоспламеняющиеся жидкости рядом с водонагревателями и вызывали пожары. Поскольку большинство новых конструкций включают в себя тот или иной тип пламегасителя , они требуют контроля, чтобы убедиться, что они не засоряются ворсом или пылью, что снижает доступность воздуха для горения. Если пламегаситель засорится, термовыключатель может отключить нагреватель.
Печь с мокрым подогревом ( Новая Зеландия ), обогреватель с мокрым подогревом (Новая Зеландия) или обратный котел (Великобритания) — это простой бытовой вторичный водонагреватель, использующий побочное тепло. Обычно он состоит из трубы горячей воды, проходящей за камином или печью (а не хранилища горячей воды ), и не имеет средств для ограничения нагрева. Современные мокрые трубы могут иметь более сложную конструкцию для облегчения теплообмена . Эти конструкции вытесняются государственными постановлениями об эффективности, которые не считают энергию, используемую для нагрева воды, «эффективно» использованной. [5]
Другой тип водонагревателя, разработанный в Европе, предшествовал модели хранения. В Лондоне, Англия, в 1868 году художник по имени Бенджамин Уодди Моган изобрел первый проточный бытовой водонагреватель, не использовавший твердое топливо . Названный гейзер в честь бьющего горячего источника в Исландии, изобретение Моэна позволяло холодной воде течь вверху по трубам, которые нагревались горячими газами из горелки внизу. Горячая вода затем стекала в раковину или ванну. Изобретение было в некоторой степени опасным, поскольку не было дымохода для отвода нагретых газов из ванной комнаты. Водонагреватель в Великобритании до сих пор иногда называют гейзером .
Изобретение Мона повлияло на работу норвежского инженера-механика по имени Эдвин Рууд . Первый автоматический газовый водонагреватель накопительного типа был изобретен примерно в 1889 году Руудом после того, как он иммигрировал в Питтсбург, штат Пенсильвания (США). Производственная компания Ruud, существующая до сих пор, добилась многих успехов в конструкции и эксплуатации резервуарных и проточных водонагревателей.
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) обычно используется для мытья посуды, стирки и принятия душа, что требует, чтобы нагреватель повышал температуру воды примерно на 40 °C (72 °F), если горячая вода смешивается с холодной водой. в месте использования. Скорость потока воды в душе, указанная в Едином сантехническом кодексе, составляет 9,5 л (2,5 галлона США) в минуту. Расход мойки и посудомоечной машины варьируется от 4–11 л (1–3 галлона США) в минуту.
Природный газ часто измеряется по объему или теплосодержанию. Распространенными единицами измерения объема являются кубический метр или кубический фут при стандартных условиях или теплосодержание в киловатт-часах , британские тепловые единицы (БТЕ) или терм , равный 100 000 БТЕ. БТЕ — это энергия, необходимая для поднятия одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Галлон воды в США весит 8,3 фунта (3,8 кг). Чтобы поднять 230 л (60 галлонов США) воды с 10 °C (50 °F) до 50 °C (122 °F) при эффективности 90%, требуется 60 × 8,3 × (122 − 50) × 1,11 = 39 840 БТЕ . Нагревателю мощностью 46 кВт (157 000 БТЕ/ч), который может существовать в безрезервуарном обогревателе, для этого потребуется около 15 минут. При цене 1 доллар 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 доллара за киловатт-час электричество будет стоить 1,68 доллара.
Энергоэффективность водонагревателей в жилых помещениях может сильно различаться, особенно в зависимости от производителя и модели. Однако электрические нагреватели, как правило, немного более эффективны (не считая потерь на электростанциях), а эффективность рекуперации (насколько эффективно энергия передается воде) достигает около 98%. Газовые обогреватели имеют максимальную эффективность рекуперации всего около 82–94% (остальное тепло теряется с дымовыми газами). Общие энергетические коэффициенты могут составлять всего 80% для электрических и 50% для газовых систем. Водонагреватели для природного газа и пропана с энергетическим коэффициентом 62% и выше, а также электрические водонагреватели с энергетическим коэффициентом 93% и выше считаются высокоэффективными агрегатами. Водонагреватели с резервуаром для природного газа и пропана, соответствующие требованиям Energy Star (по состоянию на сентябрь 2010 г.), имеют энергетический коэффициент 67% или выше, что обычно достигается с помощью пилотного клапана прерывистого действия вместе с автоматической заслонкой дымохода, дефлекторами или системой вентиляции.
Баковые водонагреватели прямого электрического сопротивления не включены в программу Energy Star; однако программа Energy Star включает в себя электрические тепловые насосы с энергетическим коэффициентом 200% или выше. Для получения сертификата Energy Star безрезервуарные газовые водонагреватели (по состоянию на 2015 год) должны иметь энергетический коэффициент 90% или выше. Поскольку уровень эффективности производства электроэнергии на тепловых электростанциях варьируется от 15% до чуть более 55% ( газовая турбина комбинированного цикла ), при этом для тепловых электростанций характерен около 40%, нагрев воды электрическим сопротивлением может быть наименее энергоэффективным вариантом.
Однако использование теплового насоса может сделать электрические водонагреватели намного более энергоэффективными и привести к снижению выбросов углекислого газа, особенно если используется низкоуглеродный источник электроэнергии. Использование централизованного теплоснабжения с использованием отработанного тепла от производства электроэнергии и других отраслей промышленности для обогрева жилых домов и горячего водоснабжения дает повышенную общую эффективность, 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 заметить, ожидая вскипятения галлона воды на плите. По этой причине безрезервуарные водонагреватели по требованию требуют мощного источника энергии. Для сравнения, стандартная настенная электрическая розетка на 120 В и номинальным током 15 ампер обеспечивает достаточно энергии только для нагрева удручающе небольшого количества воды: около 0,17 галлона США (0,64 л) в минуту при повышении температуры 40 ° C (72 ° F).
Энергию, потребляемую электрическим водонагревателем, можно сократить на целых 18 % за счет оптимального графика и контроля температуры, основанного на знании режима использования. [6]
16 апреля 2015 года в рамках Закона о энергосбережении национальных бытовых приборов (NAECA) вступили в силу новые минимальные стандарты эффективности бытовых водонагревателей, установленные Министерством энергетики США . [7] Все новые водонагреватели для резервуаров для хранения газа 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 50 галлонов США). галлонов, выше для меньших агрегатов), увеличено по сравнению с минимальным стандартом, существовавшим до 2015 года и составлявшим энергетический коэффициент 58% для газовых агрегатов емкостью 50 галлонов США. Электрические водонагреватели с накопительным баком емкостью менее 55 галлонов США, продаваемые в Соединенных Штатах, должны иметь энергетический коэффициент не менее 95 %, увеличенный по сравнению с минимальным стандартом до 2015 года, составлявшим 90 % для электрических агрегатов емкостью 50 галлонов США.
В соответствии со стандартом 2015 года впервые к накопительным водонагревателям емкостью 55 галлонов США или более предъявляются более строгие требования к эффективности, чем к водонагревателям емкостью 50 галлонов США или меньше. Согласно стандарту, действовавшему до 2015 года, газовый водонагреватель емкостью 75 галлонов США (280 л; 62 имп галлона) с номинальной потребляемой мощностью 22 кВт (75 000 БТЕ / ч) или менее мог иметь энергетический коэффициент всего 53%. , в то время как в соответствии со стандартом 2015 года минимальный энергетический коэффициент для водонагревателя резервуара для хранения газа емкостью 75 галлонов США теперь составляет 74%, чего можно достичь только с использованием конденсационной технологии. На накопительные водонагреватели номинальной мощностью 22 кВт (75 000 БТЕ/ч) или выше в настоящее время не распространяются эти требования, поскольку для таких агрегатов не определен энергетический коэффициент. Электрический водонагреватель с накопительным баком емкостью 80 галлонов США (300 л; 67 имп галлонов) мог иметь минимальный энергетический коэффициент 86% по стандарту до 2015 года, а по стандарту 2015 года - минимальный энергетический коэффициент для водонагревателя емкостью 80 галлонов. электрический водонагреватель накопительного бака теперь составляет 197%, что возможно только с использованием технологии теплового насоса . Этот рейтинг измеряет эффективность в момент использования.
В зависимости от того, как генерируется электроэнергия, общая эффективность может быть намного ниже. Например, на традиционной угольной электростанции только около 30–35% энергии угля превращается в электричество на другом конце генератора. [8] Потери в электрической сети (включая потери в линии и потери при преобразовании напряжения) еще больше снижают электрическую эффективность. По 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. [ нужна ссылка ] (Ни в одном случае энергия, затраченная на разведку, разработку и добычу ресурсов угля или природного газа, не включается в указанные показатели эффективности.) Газовые безрезервуарные водонагреватели должны иметь энергетический коэффициент 82% или выше в соответствии со стандартами 2015 года, которые соответствует стандарту Energy Star до 2015 года.
В 2022 году Министерство энергетики предложило правила, которые вступят в силу в 2026 году и позволят эффективно исключить неэффективные неконденсационные газовые водонагреватели в коммерческих зданиях. Модели без конденсации теряют тепло, а модели с конденсацией улавливают и используют потерянную в противном случае энергию. [9] Это изменение позволит сократить выбросы углекислого газа на 38 миллионов тонн за 30 лет и снизить затраты на электроэнергию в зданиях. [9]
Водонагреватели потенциально могут взорваться и причинить значительный ущерб, травмы или смерть, если не установлены определенные защитные устройства. Защитное устройство, называемое клапаном сброса температуры и давления (T&P или TPR), обычно устанавливается в верхней части водонагревателя для слива 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 канализацию, обычно в ближайший слив в полу или за пределы жилого помещения. Некоторые строительные нормы и правила позволяют выпускной трубе заканчиваться 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 пожара или взрыва из-за разлива или утечки горючего топлива. жидкости в гараже. Кроме того, некоторые местные правила требуют, чтобы обогреватели резервуарного типа в новых и модернизированных установках были прикреплены к соседней стене с помощью ремня или анкера, чтобы предотвратить опрокидывание и разрыв водопроводных и газовых труб в случае землетрясения . [11]
В старых домах, где водонагреватель является частью котла отопления, и сантехнические нормы это позволяют, некоторые сантехники устанавливают автоматическое отключение газа (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. [ нужна ссылка ] Кроме того, необходимо установить расширительный бак или внешний предохранительный клапан, чтобы предотвратить повышение давления в водопроводе из-за разрыва труб, клапанов или водонагревателя.
Ошпаривание – серьезная проблема для любого водонагревателя. Человеческая кожа сгорает быстро 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 замедленной реакции . [12] В США и других странах общепринятой практикой является установка терморегулирующего клапана или термостатического смесительного клапана [13] на выходе водонагревателя. Результат автоматического смешивания горячей и холодной воды через регулирующий клапан называется «умеренной водой». [14]
Температурный клапан смешивает достаточное количество холодной воды с горячей водой из водонагревателя, чтобы поддерживать температуру выходящей воды на более умеренном уровне, часто устанавливаемом на уровне 50 ° C (122 ° F). Без регулирующего клапана снижение заданной температуры водонагревателя является наиболее прямым способом уменьшения ожогов. Однако для канализации необходима горячая вода такой температуры, которая может вызвать ожоги. Этого можно добиться, используя дополнительный нагреватель в приборе, которому требуется более горячая вода. Например, большинство бытовых посудомоечных машин имеют внутренний электрический нагревательный элемент для повышения температуры воды выше температуры, обеспечиваемой бытовым водонагревателем.
На температуру водонагревателя влияют две противоречивые проблемы безопасности: риск ожога слишком горячей водой с температурой выше 55 °C (131 °F) и риск инкубации колоний бактерий, особенно легионеллы , в воде, которая недостаточно горячая, чтобы убить их. Оба риска потенциально опасны для жизни, и их можно компенсировать, установив термостат водонагревателя на температуру 55 °C (131 °F). Европейские рекомендации по контролю и профилактике болезни легионеров, связанных с поездками, рекомендуют хранить горячую воду при температуре 60 °C (140 °F) и распределять ее так, чтобы температура составляла не менее 50 °C (122 °F), а лучше 55 °C. C (131 °F) достигается в течение одной минуты в точках использования. [15]
Если имеется посудомоечная машина без дополнительного нагревателя, для оптимальной очистки может потребоваться температура воды в диапазоне 57–60 °C (135–140 °F), [16] , но термостатические клапаны должны быть установлены на температуру не более 55 °C. (131 °F) можно наносить на смесители, чтобы избежать ожогов. При температуре резервуара выше 60 °C (140 °F) в резервуаре для воды могут образовываться отложения известкового налета , которые впоследствии могут стать средой обитания для бактерий. Более высокие температуры также могут усилить травление стеклянной посуды в посудомоечной машине.
Термостаты резервуара не являются надежным индикатором внутренней температуры резервуара. На газовых резервуарах для воды может не отображаться калибровка температуры. Электрический термостат показывает температуру на высоте термостата, но вода ниже в резервуаре может быть значительно холоднее. Выходной термометр является лучшим показателем температуры воды. [17]
В отрасли возобновляемых источников энергии (в частности, солнечных батарей и тепловых насосов) конфликт между ежедневным тепловым контролем легионеллы и высокими температурами, которые могут снизить производительность системы, является предметом горячих споров. В документе, требующем «зеленого» освобождения от обычных стандартов безопасности, связанных с легионеллезом, главный европейский технический комитет CEN по солнечной термальной энергии TC 312 утверждает, что производительность снизится на 50%, если солнечные водонагревательные системы будут нагреваться до минимума ежедневно. Однако некоторые исследования солнечного симулятора с использованием Polysun 5 показывают, что потеря энергии в 11% является более вероятной цифрой. Независимо от контекста, требования к энергоэффективности и безопасности от ожогов указывают на значительно более низкую температуру воды, чем температура пастеризации легионеллы , составляющая около 60 °C (140 °F). [ нужна цитата ]
Legionella pneumophila была обнаружена в местах использования после 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 раз в несколько дней до 55 °C (131 °F) в самой холодной части водонагревателя на 30 минут эффективно контролирует легионеллу. Во всех случаях и особенно в энергоэффективных приложениях болезнь легионеров чаще всего является результатом проблем инженерного проектирования, которые не принимают во внимание влияние расслоения или низкого расхода. [ нужна цитата ]
Также возможно контролировать риск возникновения легионеллы путем химической обработки воды. Этот метод позволяет поддерживать более низкую температуру воды в трубопроводе без риска возникновения легионеллы. Преимущество более низких температур труб заключается в том, что снижается скорость теплопотерь и, следовательно, снижается потребление энергии.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )стр.28