Можливість застосування газових конденсаційних котлів для підігріву гарячої води

Енергія, що витрачається на нагрів гарячої води, становить близько 17% сумарної енергії, що споживана в житлових будинках, і 7% – для комерційної нерухомості. Загалом майже половина всіх водонагрівачів, що застосовуються в даний час для підігріву води на потреби ГВП, використовують в якості палива природний газ, і, відповідно, на їх частку припадає більше 50% споживаної енергії для житлових і комерційних будівель. Основна маса газових водонагрівачів, що представлені на ринку обладнання для ГВП, належить до накопичувальних і має такі значення ККД, які лежать нижче термодинамічних обмежень.

У багатьох країнах визначити, який водонагрівач є найбільш ефективним, досить просто, завдяки правилам, які вимагають від компаній розміщення етикеток Energy Guide (Керівництво по енергії) на водонагрівачах. Спочатку такі вимоги були розроблені в Сполучених Штатах в 1990-х роках, але пізніше були прийняті в деяких інших країнах, включаючи Австралію, Канаду, країни Європейського Союзу, Японію, Нову Зеландію і Тайвань. Інформація на етикетці вказує загальну ефективність водонагрівача, а також скільки галонів води він зможе в середньому нагріти на годину. Ці значення відомі як Energy Factor (EF) і First Hour Rating (FHR).

Енергетичний фактор (EF) вимірює загальну ефективність водонагрівача, порівнюючи кількість енергії, що надходить до нагрівача з кількістю енергії, яку він видає. EF зазвичай становить від 0,5 до 2, але показник залежить від моделі: більше число вказує на більш ефективну модель. Рейтинг першої години (FHR) показує кількість галонів води, яку водонагрівач буде виробляти під час максимального використання. В цілому більшість моделей нагрівають від 50 до 67 галонів (від 189 до 253 літрів) води на годину.

В середньому для накопичувальних водонагрівачів EF дорівнює 0,64, а FHR – 67 галлонам (253 л) на годину.

Стандартні значення ефективності водонагрівачів, що використовуються в домогосподарствах і офісних будівлях, за оцінкою EF, як правило, лежать між 0,55 і 0,67. Цей мінімальний рівень ефективності обумовлений двома основними чинниками.

По-перше, одна з особливостей газових водонагрівачів – наявність додаткових втрат тепла через димохід. У періоди бездіяльності пальника бак гарячої води нагріває повітря в димарі. Нагріте повітря піднімається вгору по димоходу й тим самим охолоджує водонагрівач. Це збільшує кількість енергії, що необхідне для підтримки нормованої температури гарячої води в баці.

По-друге, більшість газових приладів призначена для роботи поза конденсаційного режиму. Природний газ містить невелику кількість сірки. При згорянні сірки утворюються сірчистий ангідрид S02 і невелика кількість сірчаного ангідриду S03. Наявні в продуктах згоряння водяні пари, з'єднуючись з сірчаним ангідридом, утворюють пари сірчаної кислоти (H2S04). Якщо температура димових газів падає нижче точки роси парів сірчаної кислоти в умовах експлуатації, сірчана кислота може конденсуватися на холодних поверхнях. Циклічне накопичення сірчаної кислоти і подальшого її висихання викликає корозію багатьох матеріалів, в тому числі традиційних сталей.

Щоб уникнути конденсації для більшості газових приладів, в тому числі і для водонагрівачів, виробниками гарантується, що температура димових газів, що залишають обладнання, перевищує режим конденсації з достатнім запасом. Водопідігрівне обладнання, однак, при таких заданих умовах може отримати лише обмежену частину енергії згорання у разі застосування природного газу близько 80% тепла.

У той же час існують конденсаційні газові водонагрівачі для комерційної, так і житлової нерухомості. Як правило, в таких водонагрівачах використовують теплообмінники з нержавіючої сталі, які володіють достатнім ступенем корозійної стійкості, що дозволяє їм працювати в режимі конденсації. Отже, вони досягають значно більш високих показників енергетичного фактора (EF) і таких показників, як 0,86. Однак необхідність застосування спеціальних матеріалів збільшує вартість продукції. В результаті на початку 2000-х років конденсаторні агрегати захопили лише кілька відсотків ринку водонагрівачів, що застосовуються для комерційної нерухомості і менше 1% ринку житлової.

Економія енергії

Потенційні нові стандарти енергоефективності, які набрали чинності в 2004 році, свідчили, що стандартні водонагрівачі накопичувального типу, що працюють на природному газі, повинні мати мінімальний енергетичний фактор 0,594 (40-галлоных (151-літрових) водонагрівачів). Конденсаційні водонагрівачі, енергетичний фактор яких становить 0,86, споживають орієнтовно на 30% менше енергії, ніж звичайний газовий водонагрівач. Водонагрівачі, які застосовуються в комерційній нерухомості, як правило, мають більш високі робочі цикли, ніж ті, щовикористовуються в житлових будинках, і, відповідно, більш високий термічний ККД. Використання конденсаторних конструкцій нового покоління дозволяє досягти теплового ККД понад 90%.

В 2015 р. нові мінімальні стандарти для ефективності житлових водонагрівачів, що встановлені Міністерством енергетики Сполучених Штатів, вступили в силу. У всіх нових газових водонагрівачів накопичувального типу, проданих у Сполучених Штатах у 2015 р. або пізніше, енергетичний фактор повинен бути принаймні 60% для водонагрівачів ємністю 50 американських галонів і більше і вище для водонагрівачів меншого обсягу. Це більше, ніж існуючий раніше мінімальний стандарт енергетичного фактора, що рівнявся 0,58 для 50-галонных газових водонагрівачів.

За стандартами 2015 р. вперше накопичувальні водонагрівачі об'ємом 55 американських галонів і понад повинні відповідати більш суворим вимогам ефективності, ніж водонагрівачі об'ємом 50 галонів або менше. За упраздненним стандартом у типового газового накопичувального водонагрівача міг допускатися енергетичний фактор всього 53%, в той час як за стандартом 2015 року мінімальний енергетичний фактор для 75-галонних накопичувальних газових водонагрівачів складе 74%, ці значення можуть бути досягнуті тільки шляхом підвищення тиску. У електричного накопичувального водонагрівача за нечинним стандартом міг бути мінімальний енергетичний фактор 86%, в той час як за стандартом 2015 року мінімальний енергетичний фактор для 80-галлонного електричного водонагрівача складе 97%, досягнення якого можливе лише із застосуванням технології теплового насосу. У газових безрезервуарных водонагрівачів повинен бути енергетичний фактор 82% або більше за стандартами 2015 року. Це відповідає концепції режиму зниженого енергоспоживання і дозволить конденсаційним водонагрівачам знайти свою частку на ринку опалювального обладнання.

Ринкові фактори

Висока вартість існуючих конденсаційних водонагрівачів явно зробила негативний вплив на займану ними частку на ринку. Високоефективні водонагрівачі комплектуються такими елементами, як дорогі баки і теплообмінники з нержавіючої сталі, а також системами керування пальниками для досягнення більш високих ККД. На додаток до прямого впливу на вартість цих компонентів додається також збільшена складність зварювання резервуара з нержавіючої сталі і складання всього пристрою.

Більш високі вкладення на початковому етапі при купівлі високоефективних водонагрівачів зробили їх менш привабливими для багатьох споживачів. Наприклад, для житлового будинку вартість високоефективного газового водонагрівача з коефіцієнтом енергетичного фактора, що дорівнює 0,86, може бути в 4–7 разів більше вартості стандартного газового водонагрівача на відміну від водонагрівача з меншою ефективністю. Аналогічним чином модель високої ефективності для комерційних будівель, як правило, буде коштувати в 2 рази більше, ніж традиційна модель.

Існують альтернативні підходи для конструювання конденсаційних водонагрівачів, при яких у водонагрівачів енергетичний фактор більш низький, ніж можна досягти при застосуванні дорогих технологій, але які могли б завоювати ринок водогрійного обладнання внаслідок їх значно більш низькій собівартості.

Була профінансована програма розвитку енергоефективного обладнання, що призначена для розробки оптимізованого конденсаційного водонагрівача для житлового будинку. Ця програма розробки стандарту для водонагрівача включає багато компонентів, в тому числі розробку уніфікованих баків, камер згоряння, пальників, запалювачів, газових клапанів і елементів управління. Крім того, в даному водонагрівачі використовується теплообмінник з емальованими поверхнями для забезпечення корозійної стійкості, а не більш дорожчий теплообмінник з нержавіючої сталі. Саме це рішення дозволяє зменшити вартість обладнання. Кінцевим результатом розробки є конденсаційний водонагрівач з EF близько 0,78, вартість якого 1,5 рази нижче представлених на ринку водонагрівачів. Додатково проведені дослідження показали, що об'єднані конденсаційні котли, які призначені для нагріву води як для системи ГВП, так і для опалення будівлі, є значно більш привабливим продуктом на ринку для замовника. Більш високі рівні споживання енергії комбінованих конденсаційних котлів з-за витрат на обігрів будинку призводять до окупності початкових вкладень в більш короткі терміни.

Інші потенційні проблеми включають необхідність зливу конденсату з конденсаційних водонагрівачів і велику висоту конденсаційних водонагрівачів (через індукції передбачався вентилятор на верхній частині пристрою). Обидві проблеми були успішно подолані. Існує досить ефективне і недороге обладнання, що дозволяє підготувати конденсат до утилізації традиційними способами. Перед зливом в каналізацію конденсат піддають розкисленним в нейтралізаторі. Конструкції сучасних конденсаційних котлів дозволяють їх робити досить компактними. Відповідно, основні перешкоди для успішного застосування конденсаційних водонагрівачів усунені, і вони повинні зайняти гідне місце на ринку опалювального обладнання.

Правила використання матеріалів сайту