Электрокотлы для отопления частного дома и ГВС

К. Семаков

Нагрев воды с помощью электрического нагревательного элемента – известный и широко применяемый способ преобразования электрической энергии в тепловую энергию теплоносителя. Несмотря на высокую стоимость электроэнергии, в ряде случаев применение электрокотлов и водонагревателей в целом создает ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими способами подогрева теплоносителя

Электронагреватели используется в устройствах разного типа, используемых в системах отопления или производства горячей воды для бытовых нужд. Такими устройствами являются водонагреватели, бойлеры или котлы. Электронагревательное устройство (элемент) может быть основным или вспомогательным источником тепла. «Моновалентными» нагревателями считаются те, где электричество – единственный источник энергии, в отличие от «бивалентых» устройств, работающих совместно с другими источниками тепла – газовыми, твердотельными котлами, гелионагревателями, тепловыми насосами и т. д. Условимся называть электрокотлами устройства, в которых основная мощность, используемая для нагрева теплоносителя, – это электрическая энергия.

Электрокотлы популярны по нескольким причинам. Их можно устанавливать в любых домах, где есть электроснабжение (а это – практически повсюду) или автономный источник электроэнергии. Для установки электрокотла не нужны дополнительные разрешения, необходимо лишь проверить, подходит ли имеющаяся электросеть по мощности для подключения электрокотла и не превышен ли лимит электропотребления, согласованный с поставляющей энергокомпанией. Электрокотлы для отопления частного дома относительно недороги, не нуждаются в организации дымоходов, в подведении гарантированного притока воздуха, отсутствует опасность отравления угарным газом, не нужны газораспределительные устройства, не нужно выделять место для хранения запаса топлива, они взрывобезопасны, бесшумны, не нужно переделывать вентиляцию и прочее – эти обстоятельства существенно сокращают общие затраты на отопление и/или ГВС с помощью электричества. Иногда эта экономия настолько существенна, что за счет сокращения общих затрат на организацию отопления, на несколько лет вперед компенсируется относительная дороговизна электроэнергии как энергоносителя.

Наконец, существуют случаи, когда альтернативы электрическому нагреву теплоносителя просто не существует. Как, например, в многоэтажных современных домах, где по соображениям безопасности не предусмотрено газоснабжение, а центральное снабжение горячей водой прекращено по техническим или экономическим причинам (как это происходит например сейчас во многих районах г. Киева).

Однако нужно иметь ввиду, что электрические резистивные нагреватели согласно резолюции Европарламента от 2016 г. о «Стратегии отопления и охлаждения» (EU Strategy on Heating and Cooling) относятся по классу энергосбережения к категории D, т. е. признаны энергозатратным способом получения тепла. С другой стороны, мир с каждым годом все больше электрифицируется. Следуя тенденциям энергопотребления, нынешний объем мировой электрогенерации (примерно 24 ЭДж/год) возрастет к 2020 г. на 20-25%, а к 2030 г – до 40 ЭДж/год, т. е. почти вдвое. Соответственно вырастет и использование электроэнергии для отопления и ГВС в секторе жилой недвижимости.

Типы, виды и подвиды

Существуют разные классификации электронагревателей. По способу аккумулирования тепла они разделяются на проточные и накопительные. Накопительные котлы имеют собственный резервуар (бак), проточные – непосредственно нагревают проходящий через нагревательный элемент теплоноситель.

Проточные электронагреватели греют воду во время ее прохождения через это устройство. Такие водонагреватели компактны, быстро нагревают воду, но не создают запаса горячей воды. Они отличаются большой потребляемой мощностью (от нескольких киловатт до десятков киловатт) при относительно малой производительности по воде и, как правило, требуют отдельного подключения электропитания, иногда трехфазного. Иногда в схеме с проточным нагревателем используется бак-аккумулятор.

Электроводонагреватели накопительного типа имеют хорошо термоизолированную емкость разного объема (10 л – 300 л и более), где размещены электронагревательные элементы разной мощности (1,0-9 кВт).

Собственно баки для воды хорошо защищены от коррозии, для умягчения воды в них устанавливают магниевый анод.

Подробнее об особенностях проточных и накопительных водонагревателей см. также статью «Электрические и косвенные бойлеры: особенности, подбор, установка».

По характеру нагрева электроводонагреватели можно разделить на устройства прямого, косвенного нагрева и комбинированные. Устройства прямого нагрева имеют электронагреватель, непосредственно нагревающий теплоноситель. В агрегатах косвенного нагрева теплоноситель нагревается от промежуточного теплоносителя или контура. В комбинированных водонагревателях (рис. 1) используются два или несколько источников энергии, где электронагреватели применяются в качестве дополнительных или основных нагревателей (когда, например, летом отключается главная система отопления), см. рис. 1.

Рис. 1. Комбинированный накопитель горячей воды с электронагревом, схема Meibes:
1 - бак ГВС косвенного нагрева с теплообменником; 2 - встроенный ТЭН для электронагрева; 3 - расширительный бачок для холодной воды; 4 - отсечной вентиль для быстрого монтажа / демонтажа расширительного бачка; 5 - насосный блок для подачи воды от системы отопления; 6 - предохранительный и обратный клапаны системы безопасности на линии подачи холодной воды; 7 - рециркуляционный насос горячей воды с арматурой; 8 - термостатический смеситель горячей и холодной воды для защиты от ошпаривания; 9 - обратный клапан; 10 - отсечной шаровый кран и быстроразъемное соединение (11) для быстрого отключения бака ГВС

По количеству контуров или по назначению различают одно- и двухконтурные электронагреватели. Одноконтурные предназначены либо для отопления, либо для ГВС. Чтобы использовать нагреватель по двум назначениям, нужно иметь второй контур – чтобы отделить воду в системе ГВС (питьевого качества) от воды, используемой в отопительном контуре, которая, как правило, имеет специальные химические присадки или антифриз.

По типу установки различают настенные и напольные электронагреватели. Как правило, настенные приборы имеют небольшие габариты и меньшую мощность по сравнению с напольными.

Ориентировочно необходимую мощность электрокотла можно оценить, как 1 кВт на каждые 10 м² отапливаемой площади. Если электрокотел используется не только для отопления, а и для ГВС, то следует предусмотреть запас мощности учитывая среднестатистический расход горячей воды, нагретой до +60°C, из расчета 70 л на человека в сутки.

По регулировке мощности электрокотлы разделяются на устройства со ступенчатой или плавной регулировкой. Ступенчатая регулировка заключается в последовательном отключении части нагревателей. Часто в котле устанавливают три нагревателя – один на 50% и два по 25% от общей мощности. Тогда ступенчатое регулирование путем отключения разных нагревателей может обеспечить четыре уровня – ¼, ½, ¾ и на полную мощность. Более точная подстройка контуров отопления осуществляется непосредственно на них – вентилями или клапанами с приводами, управляемыми от термостатов. Разновидность управления мощностью – импульсные режимы включения нагревателей магнитными пускателями или полупроводниковыми ключами, что означает включение нагревателей на разное время до достижения нужной температуры или путем серии включений/отключений.

Плавная регулировка в современных котлах, как правило, осуществляется полупроводниковыми приборами (диммерами), поскольку реостатное регулирование крайне энергозатратно. Чаще всего используется тиристорное или симисторное управление мощностью. Автотрансформаторные диммеры в итоге оказываются дороже полупроводниковых схем, поэтому в бытовых устройствах не применяются. Плавная автоматическая регулировка мощности осуществляется также методом фазового управления, когда на нагреватели подается переменное напряжение с управляемо искаженной формой синусоиды, что изменяет эффективную мощность питания.

Главное различие электрокотлов – по принципу нагревания. Различают котлы с трубчатыми электронагревателями (котлы с ТЭН) и электродные котлы, рис. 2. Принципиальное различие их в том, что в котлах с ТЭНами электроток нагревает резистивный элемент, от которого затем через ряд процессов теплопередачи тепло передается к теплоносителю. В электродных котлах в качестве нагреваемого проводника используется собственно вода, выступающая здесь в качестве токопроводящего электролита, который нагревается в соответствии с законом Джоуля-Ленца благодаря собственному сопротивлению. Понятно, что в электродных котлах нельзя использовать дистиллированную (деионизированную) воду или теплоноситель с высоким электрическим сопротивлением.

Рис. 2. Виды электрокотлов по принципу нагревания

Котлы с ТЭН

Трубчатый электронагреватель (ТЭН, см. рис. 3) представляет собой нихромовую спираль с высоким внутренним сопротивлением, окруженную металлической оболочкой из нержавеющей стали, алюминия, меди или титана. От оболочки тепловыделяющая спираль отделена спрессованным диэлектрическим наполнителем с хорошей теплопроводностью: обычно периклазом (оксидом магния MgO) или кварцевым песком. Контактные стержни ТЭНов герметично изолируются для предохранения от попадания влаги внутрь. Для уменьшения отложения накипи на ТЭНах в котлах устанавливают специальные магниевые аноды, которые периодически следует менять. Есть ТЭНы с покрытиями из особой керамики, на которую практически не осаждаются нерастворимые соли.

Рис. 3. Одноконцевые ТЭНы

По типу ТЭНы электроводонагревателей бывают сухие и мокрые. Мокрые ТЭНы вставляются в емкость, и их оболочка имеет непосредственный контакт с водой. Сухие ТЭНы вставляются в промежуточную камеру, изолирующую нагреватель от непосредственного контакта с водой. Мокрые ТЭНы более эффективны, но считается, что они менее долговечны.

По типу расположения в емкости ТЭНы разделяют на двухконцевые, у которых контактные выводы расположены с двух сторон, и одноконцевые (патронные) – с контактными выводами, расположенными по одну сторону нагревателя. В электронагревателях используют одноконцевые ТЭНы, что существенно облегчает их замену. Однако следует иметь в виду, что производители оснащают свою продукцию определенными типоразмерами ТЭНов, и при их замене следует пользоваться только такими же. При выборе продукции от малоизвестного производителя, есть риск остаться впоследствии без ЗИПа, что послужит поводом для полной замены оборудования.

Тепловыделяющая поверхность ТЭНов невелика, их объем занимает обычно всего 7-10% от объема окружающей его воды в котле, см. рис. 2. Бытовые электронагреватели с ТЭНами выпускаются мощностью от 1 до 50 кВт. По виду подключения к электросети переменного тока до мощности 10 кВт приборы изготавливаются в однофазном или трехфазном исполнении.

Модели с мощностью свыше 10 кВт большинство изготовителей предлагает в трехфазном варианте подключения. Подключение к сети должно проводиться лицами, имеющими соответствующий допуск на проведение данного вида работ. Все чаще в отопительных электрокотлах с ТЭН в качестве теплоносителя применяют не воду, а незамерзающие жидкости (антифиризы).

Электродные котлы

В электродных котлах нагревание воды происходит за счет пропускания через нее переменного электрического тока. Вода с растворенными в ней солями – это электролит. Поскольку ток переменный, то «плюс» и «минус» постоянно меняются местами с частотой сети. То есть катоды и аноды тоже постоянно меняются местами, и направление осаждения ионов постоянно меняется.

Однако со временем электроды все-таки «изнашиваются» и требуют замены.

Фактически электродный котел представляет собой проточный водонагреватель. Процесс нагрева теплоносителя (воды) в электродных котлах происходит по всему объему рабочей камеры, поэтому принципиально их эффективность (порядка 96–98%) выше примерно на 30% по сравнению с ТЭНовыми котлами.

Электродный нагрев можно применять только в котлах для систем отопления или только в двух контурных котлах с надежной электроизоляцией контура с горячей водой для бытовых нужд. Некоторые компании-роизводители предлагают для систем с электродными котлами специальные составы.

Особенность электродных котлов состоит в их «самонастройке» – при повышении температуры сопротивление котловой воды уменьшается, то есть, по закону Джоуля-Ленца, уменьшается и тепловыделение через нее.

Электрокотлы: безопасность и другие особенности

Как правило, все производители оснащают свои электрокотлы для отопления термостатами для регулировки нагрева и термостатами безопасности (отсечные термостаты), манометрами и термометрами.

Управление может осуществляться как в ручном режиме, так и с помощью автоматики. Автоматика может настраиваться на регулирование и поддержание температуры теплоносителя и/или температуры воздуха в помещении. Котлы могут работать от программаторов, задающих суточный и недельный режимы температуры.

Все чаще изготовителей оснащают электрокотлы микропроцессорной системой управления, позволяющей реализовывать сложные алгоритмы.

Электрокотлы для отопления и ГВС имеют различные системы управления с разной сложностью и функциональными возможностями элементов управления, регулирования и безопасности, индикацией, наличием дистанционного управления, возможностями по интеграции с другими системами управления инженерными системами частного дома.

На рынок электрокотлы для отопления поставляются с разной степенью комплектации элементами отопительного контура: циркуляционными насосами, расширительными баками, фильтрами, обратными, предохранительными и воздушными клапанами прочее. Например, одни производители сразу поставляют свои котлы с циркуляционным насосом и автоматикой управления его работой, другие оставляют лишь выводы для его подключения.

Степень комплектации, безусловно, сказывается на общей цене изделия, на это нужно обращать особое внимание при покупке.
Очевидные преимущества электрокотлов для отопления частного дома:

невысокая стоимость;
возможность установки практически в любом помещении без специальных разрешений и согласований;
возможность оставлять котел без постоянного присмотра;
компактность при высокой мощности;
бесшумность;
экологичность;
малые дополнительные затраты для установки.

Все это с лихвой перекрывают недостатки электрического отопления в виде высоких текущих эксплуатационных затрат из-за высокой стоимости электричества. Включение электрокотлов в общие электронные системы управления дома другим инженерным оборудованием здания осуществляется просто и естественно. Электрокотлы легко комбинируются с другими источниками тепловой энергии, включая гелиосистемы и тепловые насосы. Электрокотел для отопления в сочетании с баком-накопителем – наиболее естественный прибор для совместной работы с солнечными PV-панелями. Бак-накопитель способен недорого накапливать энергию в виде горячей воды при избытке генерации от солнца. Поэтому тенденция применения электрокотлов в частном секторе набирает обороты.