Водонагреватели: проточные и накопительные, газовые и электрические. Расчет мощности и расхода воды

По своему устройству все водонагреватели сравнимы с котлами отопления сходных типов: конструкции во многом аналогичны, только нагреватели устроены проще и обычно имеют меньшую мощность. Если котёл используется только в течение отопительного сезона, зато (в холода) может работать хоть круглые сутки подряд, без перерывов, то горячая вода нужна в любое время года, но фактически лишь несколько раз в течение дня, и большой суточной производительности от водонагревателей в бытовом сегменте не требуется. Для привыкших к централизованному снабжению горячей водой даже её ежегодные летние отключения на несколько дней или недель доставляют массу проблем. А уж в загородном жилье обеспечивать комфорт почти наверняка придётся самостоятельно, получая горячую воду или от отдельного контура отопительной системы, или от водонагревателя.

ЧЕМ ГРЕЕМ?

Если стоит задача обеспечения жилья горячей водой и по каким-то причинам невозможно получить её от отопительного котла — придётся ставить отдельный нагреватель.

Очевидно, что для нагрева воды требуется источник энергии. Тут всё точно так же, как и с котлами и другими теплогенераторами, работающими на отопление. И вариантов столько же, вот только в случае с водонагревателями всё проще.

Практически все представленные на рынке модели используют для нагрева воды или электричество, или газ. Всевозможные твердотопливные (дровяные или угольные) и жидкотопливные модели почти не встречаются, во всяком случае, в бытовом секторе. Объясняется это просто: такие модели габаритны, дороги и требуют значительного времени на «растопку».

В принципе для нагрева воды подойдут солнечные коллекторы и тепловые насосы (как правило, типа «воздух-вода», «отбирающие» тепловую энергию у воздуха и передающие её воде). Такие комплекты существуют, предлагаются рядом компаний, но их мы рассматривать не будем. По простой причине — это тема для следующего, летнего выпуска журнала.

Так что выбор по источнику энергии сокращается всего до двух вариантов. И тут, если сравнивать водонагреватели с отопительным оборудованием, есть свои особенности.

Если для отопления дома однозначно предпочтительнее газ, то для нагрева воды одинаково популярны и газовые, и электрические модели. Конечно, как и с котлами отопления, стоимость нагрева с помощью электричества в разы выше, чем газом. Однако газовый нагреватель — довольно габаритная и дорогая техника. В условиях коллективного проживания, например в многоквартирных домах и посёлках, где централизованное горячее водоснабжение не предусмотрено, но газ есть, — это лучший выход. А вот если речь идёт об индивидуальном жилье, пусть даже имеющем подвод газа, а то и газовое отопление, — возможны варианты, при которых нет смысла усложнять имеющуюся систему отопления — проще поставить отдельные нагреватели.

ВИДЫ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Электрические нагреватели делятся на безнапорные и напорные. Основная разница между ними — в расположении крана для подачи воды: у безнапорных моделей его можно ставить только до нагревателя, после — запрещено, так как «начинка» устройства не рассчитана на давление водопроводной сети и тем более его перепады (гидравлические удары). Как вариант, у безнапорного нагревателя кран может быть вмонтирован в корпус, но обязательно до нагревательного элемента. Безнапорные модели могут работать только на единственной точке водоразбора, часто арматура (кран или душевой шланг) у них входит в комплект поставки.

Напорные модели можно интегрировать в обычную систему водоснабжения, и тогда все их внутренние устройства, соприкасающиеся с водой, будут находиться под давлением. Их реально использовать и как безнапорные — тут ограничений нет. Но в обычном режиме один такой нагреватель способен обслуживать несколько точек водоразбора, например кухню и ванную комнату. Правда, не обязательно одновременно: если речь идёт о проточных моделях, мощности нагрева на несколько точек может и не хватить.

Независимо от источника энергии все нагреватели делятся на проточные и накопительные. Проточные компактнее, но требуют большого мгновенного расхода энергии во время работы. Накопительные в этом отношении удобнее — в течение дня горячая вода нужна бывает не так уж часто, греть её можно и в перерывах между включениями. Но бак такого нагревателя занимает определённый объём — выделить под него место сложнее, и стоить накопительная модель будет дороже.

Газовые нагреватели во многом похожи на газовые котлы, в теории могут быть «традиционными» и конденсационными. Но вторые в быту не применяются — чересчур дороги, и такое усложнение ради экономии нескольких процентов газа никогда себя не окупит. Газовые нагреватели имеют более простую по сравнению с газовыми котлами конструкцию — есть горелка с теплообменником, есть устройства для управления, но насос и ряд других элементов в конструкции не нужны. Воздух для горения берётся из помещения, тогда речь идёт о нагревателях с открытой камерой сгорания, реже предлагаются модели с закрытой камерой — топочные газы уходят в дымоход. Встречаются и нагреватели, у которых подсоединение дымохода не предусмотрено, обычно это не слишком мощные экземпляры, часто — накопительного типа.

ЗАЧЕМ ГРЕЕМ?

Вопрос не праздный, и при выборе типа водонагревателя есть смысл ответить на него в первую очередь. В квартире с централизованным отоплением и снабжением горячей водой водонагреватель понадобится лишь в течение нескольких недель в летний период. Тут разумнее обойтись простой электрической безнапорной моделью.

Если есть газ, есть отопление, но ГВС не предусмотрено — выбор очевиден в пользу газового нагревателя. Накопительного или проточного — зависит от потребностей, обычно хватает и проточного.

Такие варианты есть смысл рассматривать в случае «городского» жилья, отапливаемого централизованно и сравнительно небольшого по размеру. За городом «типовых случаев» гораздо больше.

Даже на обустроенном «по высшему разряду» участке с индивидуальным газовым отоплением от собственной котельной водонагревателю любого типа, как правило, найдётся место. Если дом достаточно большой, тянуть к удалённой точке водоразбора трубы ГВС из котельной не всегда бывает оправданно. Если речь идёт о вспомогательном строении типа гостевого домика или отдельного гаража — смысла вести к ним целую теплоцентраль становится ещё меньше. Лучше поставить отдельный газовый, а то и электрический нагреватель и значительно упростить систему. Газ, кстати, может быть не только природный, от газопровода, но и сжиженный, от газгольдера — нагреватели, как и газовые котлы, довольно просто перенастроить с одного вида топлива на другой.

Ну а если газа нет — выбирать, разумеется, особо не из чего. Для нагрева придётся брать электрическую модель. А вот накопительную или проточную — зависит от нескольких факторов, и один из важнейших — мощность, которую обеспечит система электроснабжения.

УСТРОЙСТВО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Рассказывать про все особенности каждого из видов нагревателей можно долго, поэтому остановимся лишь на основных узлах и деталях. Также не будем «зарываться» в перечисление всех возможных устройств и датчиков, обеспечивающих безопасную эксплуатацию изделий. Во‑первых, их список для каждого типа нагревателей свой, но практически одинаков — без наличия систем безопасности модель просто не сертифицируют, а значит, встретить её в продаже вряд ли удастся. А во‑вторых, эти устройства перечислены в этом выпуске журнала, в обзорах некоторых моделей водонагревателей, предлагаемых на российском рынке.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОТОЧНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ

Решение самое простое: модели невелики по размерам, стоят недорого, просты в установке и требуют минимального обслуживания. Обычно закрепляются на стене, имеют пластиковый корпус. Основной элемент — ТЭН. Он может или непосредственно соприкасаться с водой, или устанавливаться внутри кожуха — нагревательной колбы, омываемой потоком. Мощность единичного ТЭНа не регулируется. Многие модели имеют несколько ТЭНов, которые подключают поочередно или вместе, меняя мощность нагрева. Температуру регулируют, изменяя расход воды: чем быстрее она будет проходить, тем, разумеется, меньше нагреется. Расход можно менять вручную, с помощью крана, установленного до, после или в корпусе регулятора.

В более дорогих моделях встречаются устройства автоматического поддержания температуры, самостоятельно регулирующие расход воды и подключение ТЭНов. Они могут быть либо механическими, либо электронными. Первые применяются в относительно простых моделях, вторые дороже, но позволяют обеспечить больший комфорт. ТЭНы включаются только при наличии достаточного протока воды, если расход меньше, нагрев не производится.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛЬНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ

Их основной элемент — бак, где происходит нагрев. В небольших по ёмкости моделях бак могут делать из пластика или меди. Для наиболее популярных, с объёмом от 30 л, применяются баки, выполненные из нержавеющей стали либо стальные эмалированные. От качества изготовления бака зависит срок службы всего устройства.

Нержавеющая сталь — это общее название для множества сплавов, стоимость которых сильно различается. К тому же название «нержавеющая» отнюдь не значит, что металл действительно не ржавеет. Обычно такие баки изготавливают с помощью аргонно-дуговой сварки, и «слабые места» в них — стыки: при сварке свойства стали изменяются, к сожалению, в худшую сторону.

Эмалированные баки изготавливают из обычной стали, изнутри покрывают защитным слоем — эмалевым (стеклокерамическим) покрытием. Поскольку баки работают в условиях высоких тепловых нагрузок, эмаль должна быть достаточно эластичной и иметь близкий (в идеале одинаковый) коэффициент теплового расширения с материалом бака, чтобы исключить возникновение трещин. Процесс нанесения эмали довольно сложный, многие производители имеют свои «фирменные» рецепты.

Недобросовестный производитель может сэкономить, используя материалы подешевле, «нержавейку» потоньше, упростив технологию сварки и эмалировки. При продаже подвоха не обнаружить — внутренний бак всё равно не видно, он вполне способен отслужить несколько лет, но потом, когда потечёт, придётся выбрасывать весь нагреватель: чинить или менять бак при протечке смысла не имеет. Очень многие производители дают отдельную гарантию на бак, значительно превышающую срок гарантийного обслуживания других узлов.

Внутри бака располагаются ТЭНы, трубки для подачи и вывода воды, а также защитный анод и датчик термостата. Обычно весь этот набор монтируется на одном или двух фланцах, которые крепятся с торца бака. Суммарная мощность ТЭНов невысока, для объёма в 30–100 л достаточным считается примерно 2 кВт. Чаще всего устанавливают два ТЭНа — для «экономного» и «быстрого» нагрева (если мощность ТЭНов различается, то реально получить и три ступени). Накопительные водонагреватели до 150 л чаще всего предназначены для горизонтального либо вертикального настенного монтажа. Производители обычно предлагают модификации моделей в обоих вариантах. Отличия — в расположении внутренних трубок. У настенных водонагревателей подводящая трубка выводится в нижнюю часть бака, горячая вода забирается из самой верхней его точки. Понятно, что у «вертикального» нагревателя «верхняя точка» — верхний торец бака, а у «горизонтального» — боковина. Встречаются универсальные модели, допускающие оба варианта установки (отводящая трубка выведена к стыку между боковиной и торцом), но их сравнительно немного.

Магниевый анод — элемент, который не применяется в проточных, но есть практически во всех накопительных нагревателях. Дело в том, что в поступающей в нагреватель воде неизбежно содержатся минеральные соли и кислород. Первые могут выпадать в виде твёрдой накипи, второй, реагируя с металлом, приводит к коррозии. Вода в баке постоянно нагрета до довольно высоких температур, что увеличивает скорость реакции. Интенсивное выпадение накипи начинается после 60 °C, вода в проточных моделях редко успевает настолько нагреться, в накопительных можно настроить и большее значение температуры. Особенно наличие магниевого анода важно для эмалированных баков: любая эмаль рано или поздно покрывается микротрещинами, если в них начинается коррозия — металл начнёт «вспухать», а эмаль осыпаться. Бак после этого ещё служит некоторое время, но, конечно, рано или поздно протечёт.

Полностью остановить образование накипи и коррозию нельзя, но можно сильно замедлить. Магний связывает кислород и соли, переводя их в безопасные и растворимые соединения. В результате снижается скорость коррозии бака, количество накипи тоже уменьшается, причём она становится более «рыхлой» и гораздо легче удаляется. Магниевый анод — пассивная защита, в процессе работы он «растворяется» и время от времени (обычно раз в 1–3 года) требует замены. Есть и другие способы (активная защита, или «активный анод», требует электропитания, но не расходуется), но для бытовых условий их практически не применяют.

Часто внутри бака находится перегородка с несколькими отверстиями. Идея тут простая: при включении холодная вода поступает в одну часть бака, а нагретая забирается из другой. Как вариант, в «плоских» моделях вместо одного бака в корпусе устанавливают два (бывает и три). Смешивание воды в двух баках затруднено, и даже при довольно длительном расходовании вода во втором баке будет теплее, чем в первом.

Корпус накопительных водонагревателей обычно выполняют из окрашенной стали, для моделей «топовых» серий часто используют нержавеющую сталь. Пространство между корпусом и баком заполняют слоем теплоизоляции — запенивают.

Стоит учитывать, что при эксплуатации накопительных моделей расходовать энергию придётся и на поддержание необходимой температуры. В сутки это не так много — 0,5–1,5 кВт при объёмах бака 30–100 л, но в год получится ощутимая сумма. С недавних пор в накопительных водонагревателях, по крайней мере европейских брендов, стали указывать класс энергопотребления (обозначается буквами А, В, С и т. д.).

Накопительные водонагреватели могут оснащаться механическим или электронным управлением. Это техника достаточно дорогая, используется в большинстве случаев круглогодично, поэтому электронные системы управления для них весьма популярны.

Некоторые «плюсы» электроники — возможность программирования: нагрева до заданной температуры к нужному времени или автоматический нагрев в ночное время (актуально, если в доме стоит многотарифный счётчик), настройки температуры с высокой точностью (с шагом в 1 °C). Есть и другие режимы. Некоторые модели оснащают пультом дистанционного управления (ДУ).

ГАЗОВЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ

Накопительные модели предлагаются рядом производителей, но особенного распространения в быту не получили: техника громоздкая и дорогая, а мощности настенных проточных моделей и так достаточно для большинства схем водоснабжения. Поэтому о них мы говорить не станем, тем более что в этом выпуске журнала такая техника не представлена.

Проточные газовые нагреватели популярны, по внутреннему устройству мало отличаются от одноконтурного котла отопления (разве что арматура проще — насос и расширительный бак им не нужны). Технические особенности можно найти в статье, посвящённой котлам, повторяться незачем. А вот на особенностях органов управления остановимся немного подробнее.

Самый простой вариант — пьезоэлектрический розжиг. Тут всё просто: нажал кнопку на панели — загорелся запальник, после этого можно выставить нужную мощность нагрева. Регулировка мощности будет происходить автоматически в зависимости от протока воды.

Следующий вариант — использование для розжига сменных элементов питания. Розжиг производится автоматически при открывании воды и срабатывании датчика протока. Ещё две разновидности — модели, получающие энергию от гидротурбинки (небольшого генератора), которая начинает вырабатывать ток при появлении протока воды, и нагреватели с подключением к электросети.

Для пьезоэлектрических моделей электроэнергия вообще не требуется, они полностью автономны, все применяемые в них устройства — механические. Другие аппараты могут использовать как механические, так и электронные системы управления. Наиболее популярны модели с розжигом «от батареек» или от сети. Многие из них оснащены электронными панелями управления с дисплеями.

МОЩНОСТЬ?

Это один из важнейших параметров при выборе нагревателя, особенно если речь идёт о проточной модели. Оценить эффективность его работы можно, пользуясь школьными знаниями. Производительность любого проточного водонагревателя измеряется в литрах в минуту — этот параметр доступен в документации на любую модель и понятен даже тем, кто с физикой в школе не дружил, да и потом не сталкивался. Но надо учитывать не только «сколько нагреет», но и «на сколько нагреет». И этот параметр тоже практически всегда доступен в документации (а в рекламных материалах напечатан мелким шрифтом). Итоговая производительность нагревателя указывается примерно так: «столько-то литров в минуту при такой-то разнице температур между поступающей и выходящей водой». Эта разница обозначается как Δt или ΔT (читается как «дельта тэ», а строчная или прописная буква — в данном случае не важно), чаще всего её указываемое значение — 25 или 30 градусов, но может встретиться и любое другое.

Впрочем, хватит и школьного курса физики, чтобы вообще не разыскивать значение производительности в инструкциях. Достаточно знать максимальную мощность. Зависимость тут прямая. Для нагрева воды к ней нужно подвести энергию. Сколько подведётся — на столько и нагреется. Опустив расчёты, получаем, что 1 кВт полезной мощности нагревает один литр воды на десять градусов за 42 секунды. Или, что одно и то же, производительность водонагревателя мощностью 1 кВт — 0,7 л/мин при Δt = 10 °C. Удобнее запоминается другое значение — чуть более 1 л/мин при мощности в 2 кВт и Δt = 30 °C. Это, разумеется, при условии, что мощность нагрева соответствует заявленной и тепловые потери не учитываются.

Для электрического водонагревателя КПД очень близок к 100 % — выделившейся на нагревательных элементах энергии попросту некуда деваться, потери через места их крепления невелики.

У газовых нагревателей КПД сгорания топлива составляет примерно 90 %, но в документации (как и в случае с газовыми котлами) всегда указывают значения тепловой нагрузки — выделяющегося при сгорании тепла и полезной тепловой мощности — той его части, которая идёт на нагрев воды. В информационных материалах (и у нас в обзорах) принято указывать в первую очередь тепловую мощность нагревателя, так как нагрузка особого практического значения для пользователя всё равно не имеет.

Для накопительных водонагревателей в документации указывают время нагрева бака, но «Δt» там тоже присутствует. Это время может быть немного больше, чем рассчитываемое по формулам, — приходится учитывать, что за время нагрева воды часть тепла рассеивается через стенки бака. Но разница невелика — добавляется буквально 2-3 минуты для объёмов бака от 30 до 100 л.

Пользователь, не знающий хотя бы простого, указанного выше правила (чуть более 1 л/мин при мощности в 2 кВт и Δt = 30 °C»), немного огорчится, особенно в зимнее время. Дело в том, что температура холодной воды «из водопровода» зимой и летом различается: летом — 15–20 °C, зимой — примерно 5 °C. Как результат, проточный нагреватель, который летом бесперебойно снабжал достаточным количеством горячей воды, зимой или будет выдавать то же количество, но «едва тёплой», или тонкую струйку горячей. Актуально это в первую очередь для тех, кто приобретает проточные электрические нагреватели.

Основное, что стоит запомнить, — никакой водонагреватель не в силах «обмануть» законы физики. Чудес не бывает. Если производительность не соответствует заявленной — значит, что-то не так. Реальная мощность (а следовательно, и производительность) ТЭНов электрического нагревателя будет зависеть от напряжения в сети, это лучше не забывать. С газовыми немного проще: состав подаваемого газа практически постоянен, мощность нагрева регулируется на заводе и корректировать её самостоятельно не разрешается. Проблема может заключаться в уменьшении давления подаваемого газа.

Однако чаще всего причиной снижения мощности любого нагревателя становится обычная накипь: ухудшаются условия теплопередачи, больше энергии пропадает зря (у электрических моделей она уходит на нагрев корпуса).

СКОЛЬКО НУЖНО ВОДЫ?

Обычно принято считать, что для работы одной точки водоразбора (например, крана) необходим расход в 5–10 л горячей воды в минуту. Увы, но при таких расчётах производитель не может учесть температуру подачи. Немного помогает то, что перепад температур в этом случае «по умолчанию» принимается в 25–30 °C. В общем, если заявленная производительность составляет не более 10-11 л/мин, нагреватель способен обеспечить одновременно только одну точку: смеситель в душе или кухонный кран. Если эта цифра больше — производительности хватит и на несколько точек одновременно. Кстати, сразу скажем, что все водонагреватели мощностью менее 4–6 кВт годятся для летней эксплуатации, а зимой их производительности не хватит. Поправить ситуацию можно было бы, увеличив мощность нагрева, но обычная бытовая проводка вряд ли «потянет». Почти все однофазные электронагреватели имеют мощность не более 5-6 и очень редко — более 10 кВт. Применяем указанное выше правило — получаем производительность для десятикиловаттного нагревателя не более 5 л/мин при Δt = 30 °C. Даже это — немного. Для большей мощности надо иметь трёхфазное подключение. Тут, скорее всего, придётся консультироваться с обслуживающими сеть электриками: может оказаться так, что необходимую мощность получить вообще нереально — сеть не рассчитана на такие нагрузки.

С накопительными электронагревателями немного проще. Электричества они «сожгут» столько же, даже немного больше, чем проточные, но большая мощность им не нужна. Вода в баке будет нагреваться долго (десятки минут), но ведь и используют её не постоянно. Самые «ходовые» размеры — модели с баками 30, 50, 80 и 100 л, нагреватели с баками объёмом 150 и более литров используются обычно или в больших домах, или в организациях. Для накопительных водонагревателей всегда надо учитывать, что воду в них можно нагреть заранее до высокой температуры, а при использовании — разбавлять холодной. Считается, что ёмкости бака 30–50 л достаточно для обеспечения ежедневных нужд одного человека, на каждого последующего жильца надо «добавить» ещё 20–30 л. Хотя, конечно, всё зависит от потребностей: на принятие ванны даже 50 л вряд ли хватит, а если ограничиваться душем — и 30 л горячей воды будет в самый раз. Для «кухонных» накопительных моделей обычный размер бака может быть и меньше, в пределах 5–15 л.

Проточные газовые нагреватели обычно имеют мощность не менее 10 кВт, наиболее популярны модели на 20–25 кВт. Понятно, что их можно эксплуатировать круглогодично.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Давление подводимой воды должно быть достаточным для работы. При высоком давлении есть резон установить редукционный клапан на подводящую магистраль.

Газовые водонагреватели должны подключаться специалистами обслуживающих организаций. В обслуживании пользователем они практически не нуждаются, за исключением моделей с розжигом от батарей. Обычно на панели управления у таких разновидностей есть индикация, показывающая, что батареи разряжены.

У электрических проточных моделей основная проблема — подключение электричества.

Для накопительных электронагревателей проблем с мощностью сети нет — им достаточно бытовой розетки «на 16 А». Но любое оборудование мощностью свыше 3,5 кВт (для проточного водонагревателя это даёт примерно 1,5 л/мин при Δt = 30 °C) вообще не рассчитано на включение в «бытовые» однофазные розетки — проводить к нему питание нужно «от счётчика» проводом с сечением не меньшим, чем указано в документации.

Независимо от конструкции любой электронагреватель должен быть заземлён и подключаться через устройство защитного отключения (УЗО). Это не обычный «пакетный» выключатель, УЗО защищает от утечек тока. Многие модели поставляются с УЗО, встроенным в корпус или шнур питания.

Эффективность работы может снизиться от накипи. Наиболее этому подвержены как раз накопительные модели: проточные обычно не успевают нагреть воду до тех температур, при которых накипь начинает интенсивно выпадать. На накопительных водонагревателях важно вовремя менять магниевый анод. Заодно при ревизии обычно проводят чистку внутренней поверхности и ТЭНов от накипи (рыхлая «магниевая» отчищается легко) и оценивают состояние внутреннего бака (только у моделей с эмалированным покрытием). Вообще говоря, если поступающая в систему холодная вода чересчур жёсткая — есть резон установить систему её умягчения на весь водопровод или хотя бы перед нагревателем.

В баках накопительных водонагревателей возможно размножение бактерий, способных существовать при довольно высоких температурах. Эта проблема решается просто: раз в одну­две недели воду надо нагревать до температуры в 60–65 °C. На моделях с электронным управлением такой периодический нагрев программируют.

В зимнее время и сам нагреватель, и трубы водоснабжения могут использоваться только в отапливаемых помещениях. Если работа нагревателя не планируется — следует слить воду из всей системы. Не стоит забывать, что нагреватель — не отопительный котёл, обеспечить циркуляцию воды по всей системе ГВС он не в состоянии. Даже если на нём предусмотрен режим «антизамерзания», защитить он может только себя.

Статья опубликована в весеннем выпуске журнала «Все для стройки и ремонта» серии «Потребитель» ВЕСНА 2014
Апрель 2014