КПД котлов отопления. Газовые, электрические. Напольные, настенные

Коэффициентом полезного действия называют характеристику эффективности системы или механизма, которые преобразуют один вид энергии в другой. Например, электрическую – в тепловую. КПД представляет собой отношение полезной работы к полной работе. Чаще всего обозначается в процентах. КПД котла указывает на объем энергии, полученной от сгорания топлива или работы электрического тэна, который уходит на прогрев теплоносителя, по отношению к части энергии, ушедшей на иные цели. Пример: нагрев трубопровода, воздуха. КПД идеального котла равняется 100%. Это означает, что такой бойлер не нагревает никаких посторонних элементов, только воду в емкости.

Вычисление на практике КПД газового котла

Простейший газовый котел состоит из блока с горелкой, бака с водой и теплообменников. Коэффициент полезного действия газового агрегата вычисляют по стандартной формуле:

N = (Q1/Qi) * 100%, где:

N – КПД котла («брутто»);
Q1 – количество тепла, идущее для отопления помещений, измеряют в МДж/кг;
Qi – суммарное количество тепла, которое выделяется при сгорании природного газа, указывают в МДж/кг.

Важно, что измерения производят при уже установившемся, стандартном режиме работы котла. Чаще всего это делает производитель в тестовых лабораториях до запуска новой модели в серию.

Но такой способ определения КПД не слишком точен. Не учитываются теплопотери агрегата, различные отклонения в его работе, а также тот факт, что газовоздушная котла смесь сгорает не полностью. Была разработана друга, более корректная методика расчета по формуле:

N = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), здесь:

N – КПД;
q2 – тепловые потери, возникающие из-за уходящих в атмосферу газов;
q3 – потери тепла газового котла из-за неполного сгорания горючих смесей;
q4 – теплопотери, связанные с механическим недожогом;
q5 – потери, которые возникают в связи с внешними воздействиями – охлаждение через теплообменники, корпус;
q6 – тепловые потери из-за физического тепла – отходов, которые удаляют из топки.

КПД «нетто» (утраченное тепло) бойлера в соответствии с этой методикой будет вычисляться по формуле: Nn = N – Qсн, где Qсн – полный расход энергии на свои нужды в процентах.

Истинный КПД конкретного настенного или напольного котла никогда не станет равным тем параметрам, которые производитель указывает в технической документации к аппарату. Настоящий коэффициент будет зависеть от способов монтажа корпуса, трубопроводов отопительной системы, дымохода, сорта применяемого газа, качества электроснабжения. Измерить точное значение можно только на месте, после подключения и наладки оборудования.

В порядке убывания КПД котлов, разновидности можно разложить так:

Конденсационный. КПД заявлено выше 100% в виду особого устройства котла, позволяющее снять тепло с внешней среды.
Настенные турбированные газовые котлы. КПД составляет 89-94%.
Атмосферные настенные котлы. КПД заявлено такое же, но уже сильно зависит от тяги в дымоходе.
Напольные котлы с компьютерной автоматикой.
Напольные атмосферные котлы с примитивной механической автоматикой.

КПД электрического котла

КПД любого электрического котла составляет 98-99%. Почти вся затраченная электроэнергия превращается в тепловую. Исключение – ошибки монтажа аппаратуры, когда тепло может распространяться по корпусу.

Электрические котлы компактны и не требуют обслуживания. Они состоят из:

корпуса;
теплообменника;
платы управления аппаратом;
нагревательных элементов – тэны, электроды;
емкости для нагрева теплоносителя.

Устройства с мощностью от 2 до 27 кВт – это так тэновые устройства с нагревательными спиралями. Их устанавливают в металлический корпус. Процесс нагрева воды происходит в два этапа: сперва нагревается спираль, затем она отдает выработанное тепло трубкам, а те отдают тепло теплоносителю. Из-за этого КПД тэновых приборов самый низкий среди всех видов котлов – потери происходят уже на первом этапе передачи тепла. Образование накипи на тэнах также приводит к уменьшению теплопередачи. Но присутствие в конструкции регулирующих элементов (термодатчиков) способно улучшить экономичность таких котлов.

В электродных котлах нагревательными элементами в нем являются стержни: положительно заряженный катод и отрицательный анод. Принцип действия основан на использовании сопротивляемости жидкости, поэтому в качестве теплоносителя для них рекомендуется использовать специальные составы, стоимость которых также несколько повышает расходы на отопление дома, хотя можно заливать обычную воду, но ее следует специально готовить. Поэтому использовать электродные котлы для открытых систем не очень рационально.

Индукционные электрокотлы считаются самыми компактными. Их основной элемент – диэлектрическая трубка, в ней создается электромагнитное поле за счет стального сердечника, который размещен в колбе. Поверхность емкости играет роль индукционной катушки и нужна для передачи тепла носителю. Теплопотери почти исключаются, это позволяет увеличить КПД аппарата до 98-99%. Если отопление решено организовать с электрическим котлом, то этот вид – самый выгодный, хотя его стоимость выше, если сравнивать с теновыми и электродными моделями аналогичной мощности.

Можно ли повысить КПД котла

Независимо от типа – КПД напольного котла, а также КПД настенного котла зависят от принципа их работы, мощности, объема сжигаемого топлива. Чем больше сжигается газа, тем больше будет теплопотерь через стальной кожух и дымоход. При этом следует учитывать, что использование оборудования на чрезмерно малой мощности не приведет к экономии и повышению коэффициента полезного действия, так как газовая смесь будет сгорать не вся, ее часть уйдет в трубу дымохода. Поэтому нужно искать средний, оптимальный для данного устройства параметр.

Пример: в документации к портативным газовым котельным мощностью 15 кВт сказано, что если запускать их на максимальной мощности (15,2 кВт), то КПД станет равным 91,5%, а при минимальной нагрузке (около 5 кВт) – уменьшится до 78%. Считается, что эффективная при минимуме затрат энергии работа для большинства моделей будет достигнута при нагрузке 65-85% от наибольшей мощности.

КПД любого водогрейного агрегата не станет больше 100%, это противоречит законам термодинамики. Не получится сохранить больше энергии, чем получается при сгорании газов и любых других видов топлива. Однако следует выделить 2 определения:

Низшая теплота сгорания – это та энергия, которая генерируется в время сгорания топлива, если дым выходит в трубу дымохода.
Высшая теплота сгорания – то объем тепла, который можно получить с учетом энергии, содержащейся в водяных парах – это один из продуктов сгорания газовой смеси или твердых видов топлива.

Конденсационные газовые котлы котлы устроены так, что они собирают энергию еще не остывшего конденсата. Он оседает в теплообменниках и используется, так значительная часть тепла не уходит в атмосферу, а температура газов в трубопроводе дымохода почти равна комнатной.

По нормативам Российской Федерации и ЕС, КПД мини-котельных следует рассчитывать по минимальной удельной теплоте сгорания. Если считать по всем правилам, то будет получено значение больше 100%. А при подсчете по высшей теплоте сгорания КПД конденсационных аппаратов будет равным 95-97%, что зависит от модели, способа установки: у настенных устройств часто КПД несколько больше, чем у напольных.

Повысить эффективность сгорания газовых смесей невозможно, даже дополнительный слой теплоизоляции уложить чаще всего не получится. И вмешиваться в устройство котла это своими руками запрещается, так как это может вызвать нарушение работы аппарата, короткое замыкание, пожар. Но есть способы увеличить КПД котла:

Экономайзер для дымохода – его внедряют вместо участка трубопровода дымохода. Экономайзер нужен для сбора тепла отходящих через дымоходные трубопроводы смесей газов, имитирует конденсационные аппараты. Но при монтаже требуется точно рассчитать настройки режимов работы экономайзера, правильно смонтировать дымоход для обеспечения нужной тяги, предотвращения обратной тяги, например, во время порывов ветра.

Чистка котла, теплообменника – своевременное техническое обслуживание поможет сохранить параметры котла, включая его КПД. Во время работы внутри блоков теплообменников появляется накипь, ржавчина, иные отложения, засоряются наружные поверхности, горелки, запальники. Из-за этого расход газа увеличивается, снижается производительность устройства, КПД может уменьшиться на 20-30%.

Газовые фильтрующие элементы – монтируются до перекрывающих магистраль подачи газа крана. Нужны для его очистки от посторонних частиц, примесей. За счет этого снижается сажеобразование, повышается качество топливной смеси, уменьшаются теплопотери, даже при частичном сгорании газов.

Главный способ увеличения КПД бойлера заключается в корректной его установке, правильной наладке оборудования. Часто ошибки, допущенные при монтаже, сложно исправить в дальнейшем. Если установка произведена правильно, то КПД котла не будет сильно отличаться от паспортного значения.

Оригинальный пост