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
0,9 * (1 – 0,2) = 72%.
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,
т.е. 8-10 м3 дров.
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.
Что нам это дает? Как минимум – снижение расхода топлива. Предположим, нам необходима температура теплоносителя в радиаторе 60°С. Пока в системе вода холодная, наш котел работает на полную мощность. Потом температура повышается, поскольку вода не успевает полностью остыть за один цикл прохода по системе, и котел переходит в экономичный режим работы, просто поддерживая заданную температуру, без ярко выраженных циклов нагрева и остывания.
Если на выходе котла наша температура составляет 60 градусов, а на входе – 56 градусов, то это значит, что в каждом радиаторе верх разогревается до 59, а низ остывает до 57 градусов. Числа, естественно, условные. Таким образом, радиаторы отдают полную мощность, котлу не приходится при этом нагревать воду до 70 и выше градусов и тратить на это дополнительную энергию. Кроме этого, мы получаем замечательную возможность регулировать температуру каждого радиатора в любой комнате. Это значит, что, сделав на кухне и в спальне температуру воздуха пониже, мы имеем дополнительную, и судя по книжкам, существенную экономию топлива. Дополнительно, мы имеем удобство подогрева радиаторов, скажем до 35 градусов, что совершенно невозможно при самотечной системе, а значит, имеем комфортную температуру в осенние и весенние месяцы, когда прохладно, но не холодно. И, наконец, мы прокладываем систему отопления трубами малого диаметра. Вы думаете, что это не существенно? Ошибаетесь! Мы уменьшаем количество воды в системе и теплопотери через поверхность труб. Ее становится легче и быстрее нагревать, увеличивается скорость ее оборачиваемости в системе и мы опять же увеличиваем эффективность нашей системы отопления и уменьшаем расходы на газ.
Важная составляющая, без которой эффективности не добиться
В системе предусмотрено все: котел мощный, КПД высокий, КПД системы отопления – выше не бывает, радиаторы – молодцы, а тепла все равно недостаточно и вода возвращается в котел значительно остывшей. Это либо вы батареи прикрутили снаружи дома, либо забыли об утеплении. Бывает и такое. Когда стены недостаточно утеплены – система отопления бессильна, а ваши денежки вместе с топливом вылетают в трубу в прямом смысле.
Холодные стены, щели в полу, стене, потолке, крыше, «свистящие» окна и двери – это показатели теплопотерь вашего дома. Для того, чтобы рассчитать теплопотери, надо быть опытным (а не только образованным) инженером-теплотехником, причем, теплотехник этот должен быть не где-то в городской конторе, а самым реальным, с саквояжем, набитым справочниками, и обязательно в том доме, расчет теплопотерь которого и надо произвести. А иначе как можно рассчитать, не видя конструкции дома, не зная размеров, не определив пригодность окон и дверей, потолка и стен? Чем и как стены оштукатурены, насколько из них птицы паклю повытаскивали, сколько трещин в бревне на квадратный метр стены, если бревно под окном с гнильцой – тогда сколько? В каком углу на чердаке утеплителя меньше, чем в остальных? И вообще, какая сила ветров на местности, направление, сколько дней в году солнце спрятано?..
С другой стороны, если вы хорошо утеплились, то можно обратить внимание еще и на такой показатель, как теплоемкость. Кирпичные стены, нагревшись один раз, будут долго отдавать тепло внутрь помещения даже при отключенной системе отопления. Например, у вас стоит твердотопливный котел. Вам, для того чтобы протопить дом, нужно регулярно подбрасывать дрова. Так вот если стены вашего дома способны аккумулировать тепло, не выводя его на улицу, то топить придется значительно реже. Такими счастливчиками являются обладатели кирпичных строений, при условии, что снаружи кирпич закрыт теплой «шубой». Суть здесь та же, что и в любой печи – чем больше прогреваемых кирпичей в печи, тем больше ее теплоемкость.
Еще одна важная составляющая, без которой жить можно, но с ней – лучше
Вот не дает многим читателям покоя идея с аккумулированием тепла в доме. Между тем возможность запасать тепловую энергию и выдавать ее по мере необходимости дает нам удивительно простое изобретение – теплоаккумулятор. Это тот же термос, в который мы закачиваем нагретый теплоноситель, а когда нам требуется горячая вода – мы ее оттуда забираем. Состоит те-плоаккумулятор из внутреннего бака из нержавеющей стали и внешнего бака из окрашенной стали, между которыми расположен теплоизоляционный слой из полиуретановой пены, благодаря которому вода может оставаться горячей до 3-4 суток с минимальной теплопотерей 1-4 градуса в сутки. Теплоаккумуляторы выпускаются объемами от 80 до 4000 литров.
Чаще всего теплоаккумулятор используется в системах с отоплением на твердом топливе для того, чтобы топить только один раз в день. В такой системе два контура. Во время топки происходит нагрев как радиаторов, так и воды в теплоаккумуляторе. Когда топка заканчивается, вода в системе забирается из теплоаккумулятора. Его должно хватать минимум на 8 часов. Такие системы дороги из-за необходимости использования котлов повышенной мощности (чтобы хватало и на дом, и на теплоаккумулятор), и из-за дороговизны самого утепленного металлического бака.
