КПД системы отопления и ее эффективность

Большинству из нас известно, что КПД (коэффициент полезного действия) не что иное, как отношение полезной работы к затраченной энергии.

Как измеряют КПД

Сначала окунемся в теорию, почитаем техническую литературу, где и узнаем, как измеряют КПД. КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы к затраченной энергии. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. В формулах КПД обозначается буквой «Этта»: = A/Q, где А – затраченная работа, а Q полезная теплота. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше или равно единице, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии, не бывает котлов со 100% КПД, который не греет ничего кроме воды. Даже электрический котел, где отсутствует дымоход, а нагревательный элемент находится непосредственно в нагреваемом теплоносителе, не может выдать 100-процентный результат, так как часть энергии тратится на побочные цели – нагрев металлических деталей котла, нагрев провода от котла к розетке и т.п.

Понятие КПД напрямую связано с понятиями энергии и мощности. Применительно к отопительным приборам энергосодержание, или теплосодержание (кВт*ч), является понятием, связанным с количеством топлива (дров, газа, электроэнергии), а мощность (кВт) является понятием, связанным с размерами пламени (размерами нагревательного элемента) и скоростью горения топлива.

Коэффициент полезного действия котла, печи или камина определяется отношением количества освободившейся энергии к количеству использованной на практике освободившейся энергии. Например КПД твердотопливного котла характеризует, какую часть (в %) из всего энергосодержания древесины можно направить при ее сжигании на нагрев воды в системе отопления по отношению к той энергии, которая пошла на другие цели, например на нагрев дымохода, воздуха в нем, какая-то часть древесины остается недогоревшей в виде углей, летучей золы, негорючих газов.

С величиной КПД также связано понятие потери. Например, если потери дымовых газов (т.е. количество энергии, теряемой вместе с дымовыми газами) составляют 20%, то КПД отопительного прибора может составлять не более 80%. Полный КПД складывается из двух величин: КПД горения и потери дымовых газов.

Например, если КПД горения равен 90% и потери дымовых газов составляют 20%, то полный КПД этого очага будет равен

Коэффициент полезного действия присущ не только отопительному прибору. Есть КПД и у системы отопления в целом и зачастую именно этот показатель «страдает», сводя на нет всю работу по энергосбережению. КПД системы отопления в целом, показывает, сколько энергии горячей воды тратится на отопление воздуха в том помещении, которое вы отапливаете, по отношению к энергии, которая отапливает трубы, стены, воздух, который не нужно отапливать, и т.д. КПД системы отопления можно увеличить, например, теплоизолировав трубы, проходящие по неотапливаемым помещениям, сократив расстояние от котла до конечной точки потребления энергии, модернизировав систему отопления.

Расход энергии на обогрев «лишних» площадей называется потерями на теплопередачу. Например, если отопительный прибор (обладающий КПД 72%) подсоединен к системе отопления, в которой потери на теплопередачу составляют 8%, то КПД всей отопительной системы составит

0,72 * (1 – 0,08) = 66%.

При использовании полного КПД отопительной системы можно рассчитать фактически необходимое количество топлива для отопления всего здания. Например, для отопления жилого дома площадью 380 м2 месячная потребность в энергии составляет примерно 13500 кВт*ч, полный КПД отопительной системы принимаем за 66%, из чего и вычисляем фактическую потребность в топливе:

13500 / 0,66 = 20500 кВт*ч.

Если энергосодержание 1 кг древесины равно примерно 4 кВт*ч, то месячный запас дров должен составить

20500 / 4 = 5125 кг,

Другиме составляющие эффективной системы отопления

Если перед вами стоит задача быстрого нагрева воздуха в комнатах дома, то говорить надо об эффективности системы отопления. А это уже речь не об отопительном приборе, а о приборе, который энергию теплоносителя расходует на нагрев воздуха, – радиаторы, системы теплых полов и т.п. Чем быстрее радиатор произведет теплообмен между водой и воздухом, тем эффективнее вся система в целом.

Наличие эффективной системы отопления помимо «радостей» влечет также и «хлопоты». Ведь необходимо следить за тем, чтобы радиатор, преобразующий тепло воды в теплый воздух, сам не остыл и чтобы вода на выходе из радиатора была не слишком холодной, иначе котел будет работать на износ, а это недопустимо. В этих «хлопотах» огромную помощь оказывает циркуляционный насос, поддерживающий такую скорость циркуляции воды, которая позволит и радиаторы держать в нужном температурном режиме, и воду возвращать в котел непереохлажденной.

Здесь сразу отсеивается целый ряд систем отопления, основанных на естественной циркуляции теплоносителя. Эти системы – неэффективны. Неэффективны в первую очередь по причине своей инертности: здесь скорость циркуляции напрямую зависит от температуры воды. Сначала мы ждем пока произойдет нагрев воды в котле, по мере нагревания она потихоньку начинает пе-ремещаться вверх по стояку, а оттуда – по радиаторам. Но достигнув их, процесс снова затормаживается: горячая вода в радиаторе находится наверху, она не попадет вниз, пока не остынет. Какая же тут эффективность?

Итак, разобрались – включив циркуляционный насос, мы устранили все естественные пробки, связанные с разницей температур. В нашей системе циркулирует теперь любая вода – холодная, горячая, очень холодная и очень горячая, вне зависимости от того, успела она остыть или нагреться – вода уходит в систему и возвращается обратно в котел с одной и той же скоростью.

КПД системы отопления и ее эффективность

Как измеряют КПД

0,72 * (1 – 0,08) = 66%.

13500 / 0,66 = 20500 кВт*ч.

Если энергосодержание 1 кг древесины равно примерно 4 кВт*ч, то месячный запас дров должен составить

20500 / 4 = 5125 кг,

Другиме составляющие эффективной системы отопления

Что такое эффективность системы отопления

КПД, если говорить по-простому, показывает, сколько энергии сгоревшего газа, угля, дров или пеллет пошло на нагрев теплоносителя, по отношению к той энергии, которая пошла на другие цели, например: на нагрев дымохода, воздуха в нем и т.д. Котел со 100-процентным КПД — это такой котел, который не греет ничего кроме теплоносителя. Как вы понимаете это утопия.

Однако, есть КПД и у системы отопления в целом. КПД системы отопления показывает, сколько энергии тратится на отопление воздуха в отапливаемом помещении, по отношению к энергии, которая греет стены, крышу и улицу которую отапливать не нужно т.е. тепло потери. КПД системы отопления можно увеличить, например, тепло изолировав участки труб, которые проходят по не отапливаемым помещениям, хорошо утеплить крышу, стены, установить хорошие окна.

Когда мы говорим о том, насколько быстро система отопления нагревает наши площади, мы говорим не о КПД, а об эффективности системы отопления. Эффективность системы отопления тем больше, чем быстрее и эффективнее производится теплообмен между теплоносителем и воздухом. Для теплообмена служат радиаторы отопления либо напольное отопление. С другой стороны, чем быстрее тепло от радиатора передается воздуху отапливаемого помещения, тем ниже температура получится на выходе из радиатора, а значит, для поддержания эффективности системы отопления нам необходимо повысить скорость циркуляции теплоносителя и скорость его нагрева в котле. Мы сделали круг и вернулись к котлу.

Однако, наше положение спасает тот факт, что наша система стремится к равновесию. Равновесие достигается тогда, когда у нас высокий КПД котла сочетается с высоким КПД и эффективностью системы отопления, а также высоким качеством теплоизоляции отапливаемого помещения. В этом случае температура на выходе котла очень мало отличается от температуры на его входе, поскольку энергия тратится не на нагрев помещения, а только на компенсацию теплопотерь. Это, конечно, ситуация близкая к идеальной, и трудно достижима без современного отопительного оборудования и систем его контроля, а также поддержания необходимых заданных, для эффективной работы, параметров. Теперь по порядку.

Увеличение КПД котла

Давайте рассмотрим пример работы твёрдотопливного котла. Стенки топки прогреваются так называемым лучистым теплом от пламени. Нагретые газы здесь в теплопередаче практически не принимают участия, они уходят вверх.

И чем сильнее прогреваются стенки топки, тем меньше расходуется лучистого тепла на их прогрев. Стенки уже не только воспринимают, «впитывают» тепло, но и отражают их обратно, будучи нагретыми. И это тепло теперь используется на дальнейшее повышение температуры в топке, что является благоприятным фактором для полноты сгорания топлива и увеличения КПД котла.

Исходя из этого, чем выше рабочая температура котла, тем выше его КПД. Одним из решений этой задачи, является использование трех/четырех ходового смесительного клапана с возможностью подключения дополнительного насоса. А управление клапаном и работой насоса будет осуществляется контролером TECH ST-431. При слишком низкой температуре котла (к примеру 30*с), сработает функция защита возврата , сигнал с датчиков температуры на подаче и обратке , поступает в контролер TECH ST-431, который в свою очередь управляет открытием клапана. Тем самым подмешивая теплоноситель с подающей линии котла в линию возврата. В результате чего, котел быстрее набирает рабочую температуру и поддерживает ее в оптимальном, необходимом для достижения максимального кпд, режиме. В следствии минимальной разницы температур теплоносителя между подающей линией котла (подача) и температурой возврата ( обратка), затраты на энергоноситель уменьшится. При падении температуры теплоносителя ( к примеру затухание котла), ниже минимального, заданного пользователем параметра, нижнего порога включения насоса контролер TECH ST-431 отключает насос Ц.О. тем самым исключая возможные теплопотери на остывающий котел.

При слишком высокой температуре теплоносителя (к примеру 100*С), сработает функция защита от закипания. В результате чего , трех/четырех ходовой клапан откроется на 100%, подав теплоноситель в систему отопления, тем самым избавив пользователя от аварийной ситуации (закипание котла).

Увеличение КПД системы отопления

Одним из способов увеличения КПД системы отопления является применение напольного отопления в качестве основного отопления.

Плюсы напольного отопления заключаются в том, что в человек лучше воспринимает тепло, которое излучается снизу. Считается, что наиболее комфортным признаётся режим, когда температура у ног на 3-5 градусов выше, чем на уровне головы. Например, 23 и 19 градусов, соответственно. Исходя из этого, при использовании тёплых полов в качестве основного отопления, удаётся поддерживать температуру в помещениях на 2-3 градуса ниже, чем при использовании радиаторного отопления.

Но поскольку теплопотери в отапливаемых помещениях (зонах) всегда разные (северная сторона дома или южная, сан узел или прихожая) возникает потребность в контроле и поддержании необходимого для каждого контура (зоны)количества теплоносителя.

Одним из вариантов решения этой задачи, является использование проводной системы контроля напольного отопления TECH L-7 с возможностью удаленного управления через интернет.

Контролер TECH L-7 предназначен для управления термостатическими клапанами на распределителе отопления(гребенке), регулирующими количество теплоносителя в различных контурах отопления.

Принимая сигнал с комнатного датчика температуры, котроллер TECH L-7, обеспечивает (регулирует) необходимое количество теплоносителя в каждом контуре напольного отопления, тем самым добиваясь не только комфортной температуры в заданном помещении(зоне), но и так же, с его помощью, мы избегаем не нужных затрат на энергоресурсы, тем самым повышая эффективность системы отопления.

Система отопления, в которой используется напольное отопление в качестве основного, в чистом виде, пусть ненамного (1-1,5%), но экономичнее радиаторного отопления за счёт того, что температура в помещении ниже. А при условии работы в низкотемпературной системе с конденсационным котлом и современными системами автоматизации, экономия может достигать 18-20 %.