Определение КПД разных обогревателей

  • 10
  • 477
21-07-2014
Определение КПД разных обогревателей
Оглавление: [скрыть]
  • Котлы на органическом топливе
  • Расчет расхода отдельных видов топлива
  • Почему иногда получают КПД больше единицы?
  • О бытовых обогревателях и их КПД

Известно, что коэффициент полезного действия (КПД) не может быть больше единицы (или 100%). Этот показатель определяют отношением энергии, затраченной на выполнение работы, к энергии, поступившей за это же время. Поэтому затратить больше энергии, чем поступило, нельзя. Однако сейчас из рекламы можно узнать, что, например, конденсационный газовый котел имеет КПД более 100%, а тепловой насос – 200%.

Размер отапливаемой площади различными обогревателями

Размер отапливаемой площади различными обогревателями.

Котлы, работающие на разных видах топлива, по этому показателю существенно разнятся. Самым высоким КПД обладают аппараты, использующиеся для обогрева помещения электроэнергию. Однако это не означает, что именно такие обогреватели и следует устанавливать.

Выбирая аппарат, учитывают его потребительские качества. В первую очередь это относится к такому показателю, как эксплуатационные расходы на обогрев.

Котлы на органическом топливе

Аппараты, работающие на электроэнергии, имеют КПД, равный 100%.

Для использующих органическое топливо, то есть дрова или уголь, солярку (мазут) или газ, производители гарантируют такие коэффициенты:

  • обычный котел на газе – ηг=90%;
  • конденсационный газовый котел – ηгк=96%;
  • на дизельном топливе – ηдт=85%;
  • на твердом топливе (на дровах) ηдр=70%; пиролизный котел обладает высшим коэффициентом, равным ηдр пир=90%.
Таблица сравнения традиционных электрических нагревателей

Таблица сравнения традиционных электрических нагревателей.

Для приобретения обогревателя необходимо рассчитать мощность, необходимую для обогрева дома. Мощность котла должна возместить потери тепла, уходящего из внутренних помещений. Точный расчет этих потерь достаточно сложен, и без специалиста не обойтись. Однако для примерного расчета можно воспользоваться данными, полученными практически.

Так, в европейских странах, где уже давно ведут строительство с утеплением стен, перекрытий и чердаков, практикой установлено, что для компенсации потерь достаточно на 1 м2 площади помещения 100 Вт мощности обогревателя.

Для сравнения котлов по стоимости топлива удобно воспользоваться практически установленной часовой потерей тепла на 1 м3 объема дома. Обозначим его как γ (кВт·ч). Теперь можно определить количество топлива, S, которое необходимо сжечь в течение часа. Это можно выполнить по формуле:

S=(γ×V)/(w×кпд), (1)

где V – объем здания;
w – удельная теплоемкость сгорания, кВт·ч.

Удельная теплота сгорания отдельных видов топлива составляет:

  • 1 м3 природного газа 34 МДж или 9,45 кВт·ч;
  • 1 кг дизельного топлива 42 МДж или 11,7 кВт·ч;
  • 1 л дизельного топлива 33,6 МДж или 9,33 кВт·ч;
  • 1 кг сухих дров 10 МДж или 2,78 кВт·ч; у пиролизного котла удельная теплота сгорания дров выше и равна 4 кВт·ч.
Вернуться к оглавлению

Расчет расхода отдельных видов топлива

Рассчитаем требуемое количество топлива для здания площадью 250 м2, с высотой потолков 3 м, то есть V=750 м3.

Для России отопительный сезон реально длится не менее 250 дней. За это время газовые котлы и котлы на жидком топливе работают примерно 6 часов в сутки, то есть всего 250×6=1500 ч.
Для этих котлов воспользуемся формулой (1), считаем, что γ=0,02 кВт·ч/м3.

Принцип работы пиролизного котла

Принцип работы пиролизного котла.

  • газовый котел обычный;

Часовой расход равен:

Sг=(750·0,02/(9,45×0,9)=1,764 м3, что за 1500 часов работы составит 2645 м3.

Для газового конденсационного котла объем потребленного газа составит 2480 м3.

  • котел на дизельном топливе;

Часовой расход равен:

Sдт кг=(750·0,02/(11,7×0,85)=1,51 кг, что за 1500 часов работы составит 2262 кг.

Расход дизельного топлива в литрах будет равен:

Sдт л=(750·0,02/(9,33×0,85)=1,89 л, что за 1500 часов работы составит 2837 л.

Для котлов на твердом топливе такой режим работы не подходит. Эти котлы работают непрерывно, только для пиролизных котлов необходимо учитывать перерывы на закладку новой порции дров.

  • обычный котел на дровах;

Работая непрерывно в течение всего отопительного сезона, то есть время работы (в часах) за отопительный сезон составит 250×24=6000 ч. По формуле (1) имеем:

Sдр=(750·0,02/(2,78×0,7)=7,7 кг, что за 6000 ч работы составит 46.2 т.

Процесс горения в обычном и конденсационном котле

Рисунок 1. Процесс горения в обычном и конденсационном котле.

  • пиролизный котел на дровах.

Обычный пиролизный котел имеет камеру сгорания, объем которой равен 0,1 м3. Требуемый часовой расход дров составит:

Sдр пир=(750·0,02/(4×0,9)=4,17 кг.

Чтобы определить расход за отопительный сезон, необходимо рассчитать время работы котла на одной закладке дров. В камеру объемом в 0,1 м3 войдет примерно 20 кг дров. То есть одной загрузки достаточно на 5 ч работы. Если время на загрузку равно 30 мин, то в течение суток необходимо выполнить 4 загрузки по 20 кг каждая, всего 80 кг в сутки. За отопительный сезон это составит 20 т. То есть пиролизный котел более чем в два раза эффективнее обычного.

Теперь, зная стоимость каждого вида топлива, легко сориентироваться, каким топливом выгодно пользоваться в районе проживания.

Вернуться к оглавлению

Почему иногда получают КПД больше единицы?

Как получают этот коэффициент больше единицы (более 100%), можно показать на примере конденсационного газового аппарата.

Для определения КПД газовых котлов необходимо знать общее количество теплоты, полученной от сгорания газа. В нее войдет и тепло, уходящее в дымоход с продуктами сгорания. Вместе с дымом в обычных котлах уходит и скрытое тепло водяных паров. Эта ситуация представлена в левой части изображения 1.

 Схема масляного обогревателя.

Рисунок 2. Схема масляного обогревателя.

Рассчитывая КПД этих котлов, ориентируются на низшую теплоту сгорания, то есть не учитывают примерно 10% скрытой теплоты, уходящей вместе с водяными парами.

На изображении 1 справа показано, как происходит использование скрытой теплоты. Для такого котла КПД следовало бы рассчитывать по высшей теплоте сгорания, только за вычетом потерь через стену теплообменника (3%) и дымоход (1%). Тогда этот показатель был бы равен 96%.

Однако, сравнивая обычный и конденсационный котлы, КПД последнего продолжают рассчитывать по низшей теплоте сгорания, и в результате его значение получается больше 100%.

Рекламируя, следовало бы обратить внимание на потенциально возможную экономию за счет уменьшения расхода газа в конденсационном котле и объяснить покупателю, как быстро окупится разница в стоимости котлов и начнется экономия средств.

Вернуться к оглавлению

О бытовых обогревателях и их КПД

Обогреватели, применяемые для обогрева отдельной комнаты, используют электроэнергию. Поэтому все тепло, которое выделилось, поступает в помещение, то есть КПД этих приборов практически равно 100%. Эффективность же использования тепла зависит не от источника энергии, а от качества самого помещения, точнее насколько долго оно способно сохранять поступившее тепло.

Принцип работы тепловентилятора

Рисунок 3. Принцип работы тепловентилятора.

Некоторые из обогревателей для ускорения распространения тепла по комнате, имеют вентиляторы. Если энергию, затрачиваемую на вентилятор, вычесть из общей энергии, потребляемой прибором, то остальная часть уйдет на тепло. И в этом случае можно считать, что КПД прибора как обогревателя меньше 100%. Однако это несправедливо по отношению к прибору. Ведь он, помимо генерации тепла, еще позаботился и о его быстрейшем распространении по помещению.

Что касается коэффициента полезного использования поступившего в помещение тепла, то можно рассуждать о КПД каждого помещения. Поскольку абсолютно изолированных жилых помещения не существует, то каждое из них имеет свои особенности и свой коэффициент.

Весьма распространенным обогревателем является масляный радиатор, один из которых показан на изображении 2. Для небольших помещений обогрев с помощью масляного радиатора – это наиболее подходящий вариант.

Большую скорость распространения тепла по помещению создают тепловентиляторы. В них специально объединены нагревательный элемент (в виде спирали или пластин) и вентилятор, прогоняющий воздух через этот элемент. На изображении 3 показан один из вариантов исполнения этого обогревателя.

Инфракрасные обогреватели нагревают не воздух, а предметы, находящиеся в помещении, которые затем отдают тепло в окружающую среду.

Эффективнее всех генерируют тепло карбоновые обогреватели.

Итак, коэффициент полезного действия не определяющий критерий выбора обогревателя. Все определяется доступностью конкретного вида топлива и его стоимостью.