КПД системы отопления и ее эффективность

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.

Закрытая и открытая системы отопления

Открытая система отопления является самой простой и энергонезависимой системой с естественной циркуляцией. Основана такая система на законах термодинамики. На выходе из котла создаётся повышенное давление, далее горячая вода проходит по трубам в область с более низким давлением, при прохождении теряя температуру.

Далее охлаждённый теплоноситель возвращается обратно в отопительный котёл, где снова нагревается. Происходит естественная циркуляция теплоносителя. Система функционирует исключительно на воде, так как использование антифризов для отопления приводит к их быстрому испарению.

Открытая система отопления

В открытой системе теплоснабжения обязательно наличие расширительного бака, так как нагретая вода расширяется. Расширительный бак служит для приёма излишков воды при расширении и возврата её в систему при остывании, а также для удаления воды при чрезмерном её объёме. Бак герметичен не полностью, поэтому вода испаряется, вследствие чего необходимо постоянно возобновлять её уровень. В открытой системе отопления не используется насос. Система достаточно проста. Состоит из труб, стального расширительного бачка, радиаторов и котла. Применяются дизельные, газовые котлы и котлы на твёрдом топливе, кроме электрических.

В открытой системе отопления вода циркулирует медленно. Поэтому трубы при эксплуатации должны разогреваться постепенно, чтобы избежать их повреждения и закипания теплоносителя. Это может привести к преждевременному износу оборудования. Если в зимний период отопление не используется, то вода из системы обязательно сливается, во избежание замерзания трубопровода.

Чтобы циркуляция теплоносителя осуществлялась на необходимом уровне, необходимо производить монтаж отопительного котла в более низком месте системы, а в самом высоком устанавливать расширительный бак, например, на чердаке. Зимой расширительный бак необходимо утеплить. При установке трубопровода в открытой системе отопления требуется использовать минимальное количество поворотов, фасонных и соединительных деталей.

Закрытая система отопления

В закрытой системе отопления все элементы системы герметичны, отсутствует испарение воды. Циркуляция осуществляется при помощи насоса. Так называемая система с принудительной циркуляцией теплоносителя включает в себя трубы, котёл, радиаторы, расширительный бак, циркуляционный насос.

В закрытой системе отопления при повышении температуры клапан расширительного бака открывается и забирает излишки теплоносителя. При понижении температуры теплоносителя циркуляционный насос закачивает его обратно в систему. В данной системе отопления поддерживается давление в заранее установленных пределах. Благодаря этому, осуществляется функция деаэрации теплоносителя.

Для стабильной работы системы закрытого отопления также используется расширительный бак из высокопрочного металла. Это закрытый бак, состоящий из двух половин, завальцованных друг к другу.

Внутри располагается мембрана (диафрагма) из высокопрочной жаростойкой резины. Также внутри имеется небольшой объём газа (может быть азот, который закачивается на заводе-производителе, или воздух, накапливающийся в системе по необходимости). Мембрана разделяет бак на части: одна часть — куда поступают излишки воды при нагреве системы отопления, в другой части находится азот или воздух, не вступающие в прямое соприкосновение с водой. Таким образом, теплоноситель при нагреве поступает в расширительный бак и проникает в мембрану. При остывании теплоносителя газ, находящийся за мембраной, начинает выталкивать его обратно в систему.

Отличия открытой и закрытой системы отопления

Имеются следующие отличительные особенности систем открытого и закрытого отопления:

1. По месту размещения расширительного бака.В открытой системе отопления бак располагают в наивысшем месте системы, а в закрытой системе расширительный бак можно устанавливать в любом месте, даже рядом с котлом.
2. Закрытая система отопления изолирована от атмосферных потоков, что препятствует попаданию воздуха. Это увеличивает срок службы. За счёт создания дополнительного давления в верхних узлах системы снижается возможность образования воздушных пробок в радиаторах, расположенных сверху.
3. В открытой системе отопления используются трубы с большим диаметром, что создаёт неудобства, также монтаж труб осуществляется под наклоном для обеспечения циркуляции. Не всегда имеется возможность скрыть толстостенные трубы. Для обеспечения всех правил гидравлики необходимо учитывать уклоны распределения потоков, высоту подъёма, повороты, заужения, подключение к радиаторам.
4. В закрытой системе отопления используются трубы меньшего диаметра, что удешевляет конструкцию.
5. Также в закрытой системе отопления важно правильно установить насос, что позволит избежать шума.

Преимущества открытой системы отопления

• простое обслуживание системы;
• отсутствие насоса обеспечивает бесшумную работу;
• равномерный прогрев отапливаемого помещения;
• быстрый пуск и остановка системы;
• независимость от электроснабжения, если в доме не будет электричества, то система будет работоспособна;
• высокая надёжность;
• не требуется особых навыков для установки системы, в первую очередь устанавливается котёл, мощность котла будет зависеть от отапливаемой площади.

Недостатки открытой системы отопления

• возможность уменьшения срока эксплуатации системы при попадании воздуха, так как уменьшается теплопередача, в результате чего появляется коррозия, нарушается циркуляция воды, образуются воздушные пробки;
• воздух, содержащийся в открытой системе отопления, может вызывать кавитацию, при которой разрушаются элементы системы, находящиеся в кавитационной зоне, такие, как арматура, поверхности труб;
• возможность замерзания теплоносителя в расширительном баке;
• медленный нагрев системы после включения;
• необходим постоянный контроль уровня теплоносителя в расширительном баке для исключения испарения;
• невозможность использования антифриза в качестве теплоносителя;
• достаточна громоздка;
• низкий коэффициент полезного действия.

Преимущества закрытой системы отопления

• простой монтаж;
• нет необходимости постоянно контролировать уровень теплоносителя;
• возможность применения антифриза, не боясь размораживания системы отопления;
• путём увеличения или уменьшения количества теплоносителя, подаваемого в систему, можно регулировать температуру в помещении;
• из-за отсутствия испарения воды снижается необходимость её подпитывать из внешних источников;
• самостоятельное регулирование давления;
• система экономичная и технологичная, имеет более длительный срок эксплуатации;
• возможность подключения к закрытой системе отопления дополнительных источников отопления.

Недостатки закрытой системы отопления

• самый главный недостаток — зависимость системы от наличия постоянного электроснабжения;
• при работе насоса требуется электричество;
• для аварийного электроснабжения рекомендуется приобрести небольшой генератор;
• при нарушении герметичности стыков возможно попадание воздуха в систему;
• размеры расширительных мембранных баков в закрытых помещениях большой площади;
• бак заполняется жидкостью на 60−30%, наименьший процент заполнения приходится на большие баки, на больших объектах применяются баки с расчётным объёмом в несколько тысяч литров.
• возникает проблема с размещением таких баков, используются специальные установки, чтобы поддерживать определённое давление.

Каждый, кто собирается установить систему отопления, сам выбирает, какая система проще и надёжней для него.

Открытую систему отопления, благодаря простоте эксплуатации, большой надёжности, используют для оптимального отапливания небольших помещений. Это могут быть небольшие одноэтажные дачные дома, а также загородные дома.

Закрытая система отопления является более современной и более сложной. Её применяют в многоэтажных домах и коттеджах.

Закрытая система отопления дома. Так ли она хороша?

Закрытые системы отопления плотно ворвались в обиход современного домостроения. Не смотря на свою энергозависимость, требующую постоянную работу насосов, системы имеют много возможностей для оптимизации работы отопления. Давайте разберем, чем так хороша закрытая система обогрева дома.

Что такое. Отличия от открытой

Суть работы обогревающего контура закрытого типа несложен: жидкость нагревается, расширяется и поступает в магистраль. Излишки воды уходят в отдельную емкость, с понижением температуры, они возвращаются назад в систему. Внутри теплового блока существует константное давление, что позволяет рационально управлять всем процессом

Отопительные системы закрытого типа пользуются большой популярностью, самое главное ее достоинство – это отсутствие открытого взаимодействия с внешней средой. Воздух способствует быстрой амортизации трубопроводных элементов, снижает КПД системы, что происходит в тепловых системах открытого вида.

В наше время замкнутый контур отопления, в котором работает принудительная циркуляция, работает успешно в большинстве частных домовладений.

Замкнутый контур состоит из элементов:

• Генератор тепла (котел работающий на твердом или жидком топливе, газ, электричество);
• Радиаторы, теплые полы;
• Насос;
• Герметичная емкость мембранного типа;
• Элементы, которые позволяют сбрасывать излишки давления (манометр, воздухоотводчик, протекционный клапан);
• Фильтр;
• Арматура для управления и балансировки;
• Трубы;

Главные блоки могут снабжаться дополнительно еще элементами, такими как:

• коллектор;
• Емкости;
• Реле по автоматизации.

Работа закрытой системы отопления состоит в перемещении теплой воды (под давлением 1-2,2 бар) от нагревательного котла к радиаторам, которые расположены в помещениях. Регулировка объема делается с помощью мембраны, которая крепится в емкости. Все содержимое изолировано от внешней среды.

Регулировка давления делается с помощью воздухотводчика, работающего в автоматическом режиме. Вторым элементом, обеспечивающим безопасность, является подрывной клапан, который активируется, если давление в системе превысит критические отметки (обычно около 3,5 бар).

Грязевик монтируется на тыльной стороне магистрали (перед тепло генератором), его задача аккумулировать шлам из отопительного контура. Еще один важный блок – это насос, он подает воду, работать он может в обоих направлениях.

1. Нет соприкосновения с воздухом. Полная изоляция жидкости он внешнего мира.
2. Экологическая безопасность, отсутствуют испарения.
3. В работе можно применять антифриз.
4. Трубы используются недорогие, небольших сечений.
5. Нет лишней потери тепла, экономится энергия.
6. Уменьшен риск возникновения воздушных пробок, вода «работает» при более высокой температуре и давлении.
7. Простота регулировки

Трубы небольшого диаметра легко прячутся в стене или под гипсокартон, что является важным фактором в обустройстве жилых помещений.

Давление в закрытой системе отопления

В закрытых отопительных контурах используются три вида насосов. Дифференцируются они по напору водяного столба:

Соответственно и давление распределяется в пропорциях:

Для частного домовладения площадью порядка двухсот квадратных метров достаточно напора 4 метра. Если площадь триста квадратных метров, то потребуется насос 0,6 бар, а если площадь более 500 метров квадрантных, то необходим будет давление 0,8 бар. На всех насосах существует маркировка технических показателей. Давление сравнительно небольшое, присутствуют также предохранительные клапана, взрыв в закрытых тепловых контурах невозможен.

Расширительный бак для закрытой системы

Как работает расширительный бак

Расширительный бак подбирается исходя из расчета объема жидкости в закрытой системе отопления. При кипении вода увеличивается в объеме в среднем на 5,5%, соответственно и объем емкости должен иметь одну десятую часть от общего объема теплоносителя. Расширительный бак помогают ликвидировать слишком большое количество воды, что крайне важно в плане безопасности.

Конструкция состоит из двух блоков:

1. Корпус сделан из нержавейки.
2. Мембрана.

Одна часть емкости заполняется воздухом, в нижний отсек попадает лишняя вода. При повышении температуры мембрана сжимается, регулируя поступление жидкости. Емкость монтируется рядом с котлом, она является эффективным инструментом для предотвращения прорыва контура и аварии.

Первый тип мембран поменять нельзя, сменная мембрана делается из резины, ее можно заменить самостоятельно. Монтируются такие элементы на фланцах емкости.

Как заполнить закрытую систему

Начало работ стартует с изоляции всех отопительных устройств от магистралей. Используются для этого краны. Включается подпитка из водорода, контуры постепенно заполняются, воздух при этом постепенно выходит.

После того, как давление станет один бар (отслеживаем показания манометра), прекращаем подачу водорода, активируем насос, чтобы убрать оставшийся воздух. Поочередно следует откручивать краны, спускать воздух, используя устройство Маевского. После этого запускается котел и насос, прогреваем теплоноситель и еще раз делаем продувку в батареях. После этой операции давление поднимается до 2,2 бар, температура в котле не превышает 85 градусов по Цельсию.

Система надежно предохраняется от проникновения воздуха, тем не менее, убрать на 100% весь воздух невозможно. Со временем он накаливается и может стать причиной возникновения закупорок, что приводит к сбою в работе. Кран Маевского является эффективным средством для ликвидации излишков воздуха. Также используются активно сепараторы, которые находятся в самом контуре.

Для более рациональной работы на всех закрытых контурах применяется термостат, он дает возможность серьезно энергию

Популярные схемы закрытой системы

Разводки в нагревательных блоках существуют:

Лучевая

Каждый радиатор получает автономно свою порцию теплоносителя, все они подключены к одному источнику. Лучевая компоновка надежна, в монтаже и обслуживании проста. Разводка устанавливается в полу. Трубы используются сечением шестнадцать миллиметров. Самые дальние трубы применяются до 22 мм. Сечение магистрали котла 26 мм (DN 20).

Двухтрубная

Происходит циркуляция нагретого теплоносителя. Эта модель закрытой системы отопления самая популярная и существует в 80% объектов. Разновидность двухтрубной компоновки – это петля Тихельмана (попутная). В этом случае охлажденная вода протекает в одном направлении вместе с водой горячей.

Такая компоновка проста и надежна, монтировать ее также весьма несложно. В частных домах площадью до 220 кв. метров (2 этажа) рекомендуется трубы применять DN 16, а также 20 мм. При этом внешний диаметр составляет 22 — 25 мм

Петлю Тихельмана монтировать непросто, слишком много труб приходится монтировать и стоимость по этой причине возрастает.

Однотрубная

Батареи в однотрубной закрытой системе отопления взаимодействуют с одной магистралью. Она присутствует по всему периметру помещения. Недостаток такой системы в том, что отдаленные батареи получают наименьшее количество тепловой энергии. Вода движется только по оной трубе. Есть горизонтальный контур однотрубный (втрое название «Ленинградка». Также встречаются модели вертикальные, вода распределяется от стояков, встречается чаще всего в малоэтажных загородных домах Оптимальное количество батарей для такой схемы не должно превышать пяти. Если компоновка вертикальная, здание может быть высотой до трех этажей. Однотрубная схема достаточно «привередлива», настраивать ее должен специалист с опытом работы.

Как из открытой сделать закрытую систему

Встречаются часто варианты, когда открытая система отопления переделывается в закрытую. Чтобы успешно реализовать задуманное требуется в первую очередь поменять емкость, установив в ней «обратку» с терморегулятором. Впереди насоса монтируется фильтр, прежняя емкость демонтируется и снимается. С использованием сварки несложно переделать систему в закрытый контур, который будет прикреплен к новой емкости.

Подобные манипуляции следует проводить вместе с установкой насоса. Дополнительно следует поставить:

Котел для закрытой системы

Закрытая система функционирует с самым разным топливом и котлами, в этом плане подобные агрегаты универсальны. Прежде че выбирать котел, необходимо провести соответствующие расчеты системы отопления. Мощность котла напрямую зависит от количества квадратных метров, которые придется обогревать. А точнее от теплопотерь дома. Существуют специальные формулы, сама калькуляция не представляет никакой сложности. Есть котлы:

Рекомендуется помнить: не все угольные котлы рассчитаны на давление выше 1 атм. Особенно самодельные. При переводе на закрытую систему отопления с открытой. Следует это иметь в виду.

Открытая или закрытая система. Что лучше?

Закрытые системы выгодно использовать, но не во всех населенных пунктах есть бесперебойное снабжение, например, электричеством. В зимнее время это может обернуться неприятностями.

В открытой и закрытой системе отопления есть свои достоинства и недостатки, пальму первенства нельзя отдать ни одной из них. Профессиональный правильный монтаж открытой системы также может гарантировать длительный срок безаварийной эксплуатации. Выбор определяется спецификой объекта и самого региона, где дом находится.

Если вы хотите достичь максимальной экономии, то следует смотреть в сторону закрытой системы. За счет точного регулирования можно снизить затраты до минимума. Если хотите максимально простой вариант, то, возможно, открытая система отопления – ваш выбор.