Podgrzewanie wody - Water heating
2: Płyn ze zbiornika magazynującego wodę do zewnętrznego (pasywnego) źródła ciepła; pasywnym źródłem ciepła może być ziemia (gleba lub woda gruntowa), słońce lub powietrze za pośrednictwem pompy ciepła lub termodynamiczny panel słoneczny
3: płyn z pompy ciepła lub termodynamiczny panel słoneczny do zasobnika wody
4: pompa, siłownik, sterownik i inne części
5 : Podgrzewacz wody
6: Zasobnik wody
7: Ciepła woda do urządzeń domowych
Ogrzewanie wody to proces wymiany ciepła, który wykorzystuje źródło energii do podgrzania wody powyżej jej temperatury początkowej. Typowe zastosowania ciepłej wody w gospodarstwie domowym obejmują gotowanie, sprzątanie, kąpiele i ogrzewanie pomieszczeń. W przemyśle gorąca woda i woda podgrzewana na parę mają wiele zastosowań.
W gospodarstwie domowym woda jest tradycyjnie podgrzewana w naczyniach zwanych podgrzewaczami wody , czajnikami , kociołkami , garnkami lub miedziakami . Te metalowe naczynia, które podgrzewają porcję wody, nie zapewniają ciągłego dostarczania podgrzanej wody o zadanej temperaturze. Rzadko gorąca woda występuje naturalnie, zwykle z naturalnych gorących źródeł . Temperatura zmienia się wraz ze wzrostem zużycia, obniżając się wraz ze wzrostem przepływu.
Urządzenia, które zapewniają ciągły dopływ ciepłej wody nazywane są podgrzewacze wody , podgrzewacze ciepłej wody , zbiorniki ciepłej wody , kotły , wymienniki ciepła , gejzery (tylko Afryka Południowa) lub podgrzewaczy . Nazwy te zależą od regionu i tego, czy podgrzewają wodę pitną, czy niezdatną do picia, są w użytku domowym lub przemysłowym, oraz źródła energii. W instalacjach domowych woda pitna podgrzewana do celów innych niż ogrzewanie pomieszczeń jest również nazywana ciepłą wodą użytkową ( CWU ).
Paliwa kopalne ( gaz ziemny , gaz płynny , olej ) lub paliwa stałe są powszechnie stosowane do podgrzewania wody. Mogą być zużywane bezpośrednio lub mogą wytwarzać energię elektryczną, która z kolei podgrzewa wodę. Energia elektryczna do podgrzewania wody może również pochodzić z dowolnego innego źródła elektrycznego, takiego jak energia jądrowa lub energia odnawialna . Alternatywne źródła energii , takie jak energia słoneczna , pompy ciepła , gorące odzysku ciepła woda i geotermalnego ogrzewania może podgrzewania wody, często w połączeniu z systemami zapasowych zasilane paliwami kopalnymi i energii elektrycznej.
Gęsto zaludnione obszary miejskie niektórych krajów zapewniają ciepło sieciowe ciepłej wody. Dzieje się tak zwłaszcza w Skandynawii , Finlandii i Polsce . Sieci ciepłownicze dostarczają energię do ogrzewania wody i ogrzewania pomieszczeń z elektrociepłowni (CHP) , ciepło odpadowe z przemysłu, spalarni , ogrzewania geotermalnego i centralnego ogrzewania słonecznego . Właściwe ogrzewanie wody wodociągowej odbywa się w wymiennikach ciepła u odbiorców. Ogólnie rzecz biorąc, konsument nie ma wewnątrzbudynkowego systemu rezerwowego ze względu na oczekiwaną wysoką dostępność systemów ciepłowniczych.
Obecnie w Stanach Zjednoczonych ciepła woda użytkowa używana w domach jest najczęściej podgrzewana gazem ziemnym, opornikiem elektrycznym lub pompą ciepła. Elektryczne podgrzewacze wody z pompą ciepła są znacznie bardziej wydajne niż elektryczne oporowe podgrzewacze wody, ale także droższe w zakupie. Niektóre zakłady energetyczne oferują swoim klientom finansowanie, aby zrekompensować wyższy pierwszy koszt energooszczędnych podgrzewaczy wody.
Rodzaje urządzeń do podgrzewania wody
Ciepła woda wykorzystywana do ogrzewania pomieszczeń może być podgrzewana paliwami kopalnymi w kotle, podczas gdy woda pitna może być podgrzewana w oddzielnym urządzeniu. Jest to powszechna praktyka w USA, zwłaszcza gdy zwykle stosuje się ogrzewanie pomieszczeń ciepłym powietrzem.
Akumulacyjne podgrzewacze wody (zbiornikowe)
W zastosowaniach domowych i komercyjnych większość podgrzewaczy wody w Ameryce Północnej i Południowej to typ zbiornika, zwany także podgrzewaczami wody magazynowej . Składają się one z cylindrycznego naczynia lub pojemnika, który utrzymuje stałą temperaturę wody i jest gotowy do użycia. Typowe rozmiary do użytku domowego wahają się od 75–400 l (20–100 galonów amerykańskich). Mogą one wykorzystywać energię elektryczną , gaz ziemny , propan , olej opałowy , energię słoneczną lub inne źródła energii. Grzejniki na gaz ziemny są najbardziej popularne w Stanach Zjednoczonych i większości krajów europejskich, ponieważ gaz jest często wygodnie rozprowadzany w miastach i miasteczkach, a obecnie jest najtańszy w użyciu. W Stanach Zjednoczonych typowe podgrzewacze wody na gaz ziemny dla gospodarstw domowych bez nietypowych potrzeb to 150-190 l (40-50 galonów amerykańskich) z palnikiem o mocy 10,0-11,7 kilowatów (34 000-40 000 BTU/h).
Jest to popularny układ, w którym wymagane są wyższe natężenia przepływu przez ograniczony czas. Woda jest podgrzewana w naczyniu ciśnieniowym, które może wytrzymać ciśnienie hydrostatyczne zbliżone do ciśnienia w sieci zasilającej. Zawór redukcji ciśnienia jest czasami wykorzystywane do ograniczania ciśnienia do poziomu bezpiecznego dla statku. W Ameryce Północnej zbiorniki te nazywane są zbiornikami na gorącą wodę i mogą być wyposażone w elektryczny grzejnik oporowy, pompę ciepła lub palnik gazowy lub olejowy, który bezpośrednio ogrzewa wodę.
Tam, gdzie instalowane są kotły do ogrzewania pomieszczeń na gorącą wodę, zasobniki ciepłej wody użytkowej są zwykle ogrzewane pośrednio przez wodę z bojlera lub przez grzałkę elektryczną (często jako zapasową do bojlera). W Wielkiej Brytanii statki te nazywane są odpowiednio butlami pośrednimi i butlami bezpośrednimi . Dodatkowo, jeśli te butle stanowią część szczelnego systemu, dostarczającego gorącą wodę pod ciśnieniem sieciowym, są one nazywane butlami niewentylowanymi. W USA, po podłączeniu do kotła, nazywane są podgrzewaczami wody z ogrzewaniem pośrednim .
W porównaniu z podgrzewaczami bezzbiornikowymi podgrzewacze wody akumulacyjnej mają tę zaletę, że zużywają energię (gaz lub elektryczność) w stosunkowo wolnym tempie, magazynując ciepło do późniejszego wykorzystania. Wadą jest to, że z biegiem czasu ciepło ucieka przez ścianę zbiornika, a woda stygnie, uruchamiając system grzewczy w celu ponownego podgrzania wody, więc inwestycja w zbiornik z lepszą izolacją poprawia tę wydajność w trybie czuwania. Dodatkowo, gdy intensywne użytkowanie powoduje wyczerpywanie gorącej wody, występuje znaczne opóźnienie, zanim gorąca woda będzie ponownie dostępna. Większe zbiorniki mają tendencję do dostarczania ciepłej wody o mniejszych wahaniach temperatury przy umiarkowanych natężeniach przepływu.
Pojemnościowe podgrzewacze wody w Stanach Zjednoczonych i Nowej Zelandii to zazwyczaj pionowe cylindryczne zbiorniki, zwykle stojące na podłodze lub na platformie uniesionej na niewielką odległość nad podłogę. Pojemnościowe podgrzewacze wody w Hiszpanii są zazwyczaj poziome. W Indiach są one głównie pionowe. W mieszkaniach można je zamontować w przestrzeni sufitowej nad pomieszczeniami pralniczymi. W Australii stosuje się głównie gazowe i elektryczne zewnętrzne podgrzewacze zbiornikowe (z wysokimi temperaturami w celu zwiększenia efektywnej wydajności), ale modne stają się solarne zbiorniki dachowe.
Małe elektryczne podgrzewacze wody typu point-of-use (POU) o pojemnościach 8–32 L (2–6 galonów) przeznaczone są do montażu w szafkach kuchennych, łazienkowych lub na ścianie nad zlewem. Zwykle wykorzystują elementy grzejne o małej mocy , około 1 kW do 1,5 kW, i mogą dostarczać gorącą wodę wystarczająco długo do mycia rąk lub, jeśli są podłączone do istniejącej linii ciepłej wody, dopóki gorąca woda nie dotrze ze zdalnego podgrzewacza wody o dużej wydajności. Mogą być stosowane, gdy modernizacja budynku w instalację wodno-kanalizacyjną jest zbyt kosztowna lub niepraktyczna. Ponieważ utrzymują temperaturę wody w sposób termostatyczny, mogą dostarczać ciągły przepływ gorącej wody tylko przy bardzo niskich natężeniach przepływu, w przeciwieństwie do wysokowydajnych grzejników bezzbiornikowych.
W krajach tropikalnych, takich jak Singapur i Indie, pojemnościowy podgrzewacz wody może mieć od 10 l do 35 l. Wystarczą mniejsze podgrzewacze wody, ponieważ temperatura otoczenia i temperatura wody wpływającej są umiarkowane.
Punkt użycia (POU) a scentralizowana ciepła woda
Decyzję projektową dotyczącą lokalizacji można podjąć między punktem poboru a scentralizowanymi podgrzewaczami wody. Centralne podgrzewacze wody są bardziej tradycyjne i nadal są dobrym wyborem dla małych budynków. W przypadku większych budynków z okresowym lub sporadycznym korzystaniem z ciepłej wody, lepszym wyborem może być wiele podgrzewaczy wody POU, ponieważ mogą one skrócić czas oczekiwania na ciepłą wodę ze zdalnego podgrzewacza. Decyzja, gdzie zlokalizować podgrzewacz wody jest tylko częściowo niezależna od decyzji o podgrzewaniu wody w zbiorniku lub bez zbiornika , lub od wyboru źródła energii do ogrzewania.
Grzałki bezzbiornikowe
Tankless nagrzewnice-wodne zwane również chwilowe , ciągły przepływ , inline , lampa błyskowa , na żądanie , lub Instant-on wodnych grzejników-zyskują na popularności. Te podgrzewacze wody o dużej mocy natychmiast podgrzewają wodę przepływającą przez urządzenie i nie zatrzymują jej wewnątrz, z wyjątkiem tego, co znajduje się w wężownicy wymiennika ciepła. W tych jednostkach preferowane są miedziane wymienniki ciepła ze względu na ich wysoką przewodność cieplną i łatwość wytwarzania.
Grzejniki bezzbiornikowe mogą być instalowane w całym gospodarstwie domowym w więcej niż jednym punkcie poboru (POU), z dala od centralnego podgrzewacza wody, lub większe scentralizowane modele mogą być nadal używane do zaspokojenia całego zapotrzebowania na ciepłą wodę dla całego domu. Główne zalety podgrzewaczy wody bez zbiorników to obfity ciągły przepływ gorącej wody (w porównaniu z ograniczonym przepływem stale podgrzewanej ciepłej wody z konwencjonalnych podgrzewaczy wody) i potencjalne oszczędności energii w pewnych warunkach. Główną wadą są znacznie wyższe koszty początkowe; Amerykańskie badanie w Minnesocie wykazało, że bezzbiornikowe podgrzewacze wody zwróciły się w okresie od 20 do 40 lat. W porównaniu z mniej wydajnym zbiornikiem ciepłej wody zasilanym gazem ziemnym, gaz ziemny na żądanie będzie kosztował o 30% więcej w całym okresie użytkowania.
Samodzielne urządzenia do szybkiego podgrzewania wody do użytku domowego są znane w Ameryce Północnej jako podgrzewacze wody bezzbiornikowe lub podgrzewacze wody na żądanie . W niektórych miejscach nazywane są grzejnikami wielopunktowymi , gejzerami lub ascotami . W Australii i Nowej Zelandii nazywane są natychmiastowymi jednostkami ciepłej wody . W Argentynie nazywa się je calefones . W tym kraju calefones używają gazu zamiast elektryczności, chociaż zasilane gazem bezzbiornikowe podgrzewacze wody można znaleźć również w innych krajach. Podobne urządzenie opalane drewnem znane było jako podgrzewacz wiórów .
Powszechnym układem, w którym stosuje się ogrzewanie pomieszczeń za pomocą ciepłej wody, jest bojler do podgrzewania wody pitnej , zapewniając ciągłe dostarczanie ciepłej wody bez dodatkowego wyposażenia. Urządzenia, które mogą dostarczać zarówno do ogrzewania pomieszczeń, jak i ciepłej wody użytkowej, nazywane są kotłami kombinowanymi (lub kombi ). Chociaż podgrzewacze na żądanie zapewniają ciągłe dostarczanie ciepłej wody użytkowej, szybkość, z jaką mogą ją wytwarzać, jest ograniczona przez termodynamikę wody grzewczej z dostępnych źródeł paliwa.
Elektryczne głowice prysznicowe
Elektryczna głowica prysznicowa posiada elektryczny element grzejny , który podgrzewa wodę podczas jej przepływu. Te samonagrzewające się głowice prysznicowe to wyspecjalizowane, bezzbiornikowe podgrzewacze wody do punktu użycia (POU), które są szeroko stosowane w niektórych krajach.
Wynaleziony w Brazylii w latach 30. XX wieku z powodu braku centralnej dystrybucji gazu i często używany od lat 40. XX wieku, prysznic elektryczny jest urządzeniem gospodarstwa domowego często spotykanym w krajach Ameryki Południowej i Środkowej ze względu na wyższe koszty dystrybucji gazu, w połączeniu z gospodarstwami domowymi, większość przypadków nie obsługuje konwencjonalnych podgrzewaczy wody. Wcześniej modele wykonywano z chromowanej miedzi lub mosiądzu, które były drogie, ale od 1970 roku popularne są urządzenia z wtryskiwanych tworzyw sztucznych, ze względu na niskie ceny, zbliżone do cen suszarek do włosów. Prysznice elektryczne mają prosty system elektryczny, działający jak ekspres do kawy, ale z większym przepływem wody. Przełącznik przepływu włącza urządzenie, gdy przepływa przez nie woda. Po zatrzymaniu wody urządzenie wyłącza się automatycznie. Zwykły prysznic elektryczny często, ale nie zawsze, ma trzy stopnie grzania: wysoki (5,5 kW), niski (2,5 kW) lub zimny (0 W) do wykorzystania, gdy dostępny jest system centralnego ogrzewania lub w gorących porach roku. Produkowane są również wersje o większej mocy (do 7,5 KW) i mniejszej mocy (do 3,2 KW), a także wersje z 4 stopniami grzania lub zmiennym stopniem grzania.
Zużycie energii
Pobór mocy pryszniców elektrycznych w maksymalnym ustawieniu grzania wynosi około 5,5 kW dla 120 V i 7,5 kW dla 220 V. Niższe koszty z prysznicami elektrycznymi w porównaniu do wyższych kosztów z bojlerami zbiornikowymi wynikają z czasu użytkowania: prysznic elektryczny zużywa energię tylko wtedy, gdy przepływa woda, podczas gdy bojler zbiornikowy pracuje wiele razy dziennie, aby utrzymać ciepłą wodę stojącą do użytku przez cały dzień i noc. Co więcej, transfer energii elektrycznej do wody w słuchawce elektrycznej jest bardzo wydajny, zbliżając się do 100%. Prysznice elektryczne mogą oszczędzać energię w porównaniu z elektrycznymi podgrzewaczami zbiornikowymi, które tracą część ciepła w trybie czuwania.
.jpg)
Bezpieczeństwo
Dostępna jest szeroka gama elektrycznych głowic prysznicowych, o różnych wzorach i rodzajach sterowania ogrzewaniem. Element grzejny prysznica elektrycznego jest zanurzony w strumieniu wody za pomocą często wymiennego oporowego elementu grzejnego nichromowego, który często nie jest osłonięty i izolowany elektrycznie, w takim przypadku izolację zapewniają elektrody uziemiające, które bezpośrednio dotykają wody, zanim opuści ona głowicę . Elektryczne głowice prysznicowe z osłoniętymi i izolowanymi elektrycznie elementami grzewczymi są często sprzedawane jako takie (po portugalsku Chuveiros blindados) i są droższe. Ze względu na standardy bezpieczeństwa elektrycznego, a także koszty, nowoczesne prysznice elektryczne są wykonane z tworzywa sztucznego zamiast używać metalowych obudów, jak w przeszłości. Jako urządzenie elektryczne, które zużywa więcej prądu niż pralka lub suszarka do włosów, instalacja prysznica elektrycznego wymaga starannego planowania i generalnie jest przeznaczona do podłączenia bezpośrednio ze skrzynki rozdzielczej z dedykowanym wyłącznikiem i systemem uziemienia. Źle zainstalowany system ze starymi przewodami aluminiowymi, złymi połączeniami lub niepodłączonym przewodem uziemiającym (co często się zdarza) może być niebezpieczny, ponieważ przewody mogą się przegrzać lub prąd elektryczny może przepłynąć przez strumień wody przez ciało użytkownika do ziemi.
Solarne podgrzewacze wody
Coraz częściej stosuje się podgrzewacze wody zasilane energią słoneczną . Ich kolektory słoneczne są instalowane na zewnątrz budynków mieszkalnych, zwykle na dachu lub ścianach lub w pobliżu, a zasobnik ciepłej wody użytkowej jest zwykle istniejącym lub nowym konwencjonalnym podgrzewaczem wody lub podgrzewaczem wody specjalnie zaprojektowanym do ogrzewania słonecznego. Na Cyprze iw Izraelu 90 procent domów posiada słoneczne systemy podgrzewania wody.
Najbardziej podstawowe modele kolektorów słonecznych to modele z bezpośrednim zyskiem, w których woda pitna jest bezpośrednio przesyłana do kolektora. Mówi się, że wiele takich systemów używa zintegrowanego magazynowania kolektora (ICS), ponieważ systemy bezpośredniego zysku zazwyczaj mają magazyn zintegrowany w kolektorze. Bezpośrednie podgrzewanie wody jest z natury bardziej wydajne niż podgrzewanie jej pośrednio za pomocą wymienników ciepła, ale takie systemy oferują bardzo ograniczoną ochronę przed zamarzaniem (jeśli istnieje), mogą z łatwością podgrzewać wodę do temperatur niebezpiecznych dla użytku domowego, a systemy ICS cierpią z powodu poważnych strat ciepła w zimne noce i chłodne, pochmurne dni.
W przeciwieństwie do tego, systemy pośrednie lub z obiegiem zamkniętym nie przepuszczają wody pitnej przez panele, ale raczej pompują płyn przenoszący ciepło (wodę lub mieszankę wody/środka przeciw zamarzaniu) przez panele. Po zebraniu ciepła w panelach, nośnik ciepła przepływa przez wymiennik ciepła , oddając ciepło do ciepłej wody pitnej. Gdy panele są chłodniejsze od zasobnika lub gdy zasobnik osiągnął już swoją maksymalną temperaturę, sterownik w układach zamkniętych zatrzymuje pompy obiegowe. W systemie Drainback woda spływa do zbiornika magazynowego znajdującego się w klimatyzowanej lub półklimatyzowanej przestrzeni, zabezpieczonej przed mrozem. Jednak w przypadku systemów przeciw zamarzaniu pompa musi być uruchomiona, jeśli temperatura panelu jest zbyt wysoka (aby zapobiec degradacji płynu niezamarzającego) lub zbyt niska (aby zapobiec zamarzaniu mieszanki wody i płynu niezamarzającego).
Kolektory płaskie są zwykle stosowane w systemach z obiegiem zamkniętym. Płaskie panele, które często przypominają świetliki , są najtrwalszym typem kolektora, a także mają najlepsze parametry dla systemów zaprojektowanych na temperatury w zakresie 56°C (100°F) temperatury otoczenia . Płaskie panele są regularnie używane zarówno w systemach czystej wody, jak i przeciw zamarzaniu.
Innym typem kolektora słonecznego są kolektory próżniowe , które są przeznaczone do zimnych klimatów, w których nie występuje silny grad i/lub zastosowań, w których potrzebne są wysokie temperatury (tj. powyżej 94 °C [201 °F]). Umieszczone w stojaku, próżniowe kolektory rurowe tworzą rząd szklanych rurek, z których każda zawiera żebra absorpcyjne przymocowane do centralnego pręta przewodzącego ciepło (napędzanego miedzią lub kondensacją). Ewakuowano opis odnosi się do podciśnienia w rurach szklanych podczas procesu produkcyjnego, co powoduje bardzo niskie straty ciepła i pozwala ewakuowane układy rurowe osiągnięcia ekstremalnych temperaturach, znacznie powyżej wody w temperaturze wrzenia.
Ogrzewanie geotermalne
W krajach takich jak Islandia i Nowa Zelandia oraz w innych regionach wulkanicznych, ogrzewanie wody może odbywać się za pomocą ogrzewania geotermalnego zamiast spalania.
System zasilany grawitacyjnie
Tam, gdzie używany jest bojler do ogrzewania pomieszczeń, w Wielkiej Brytanii tradycyjnym rozwiązaniem jest stosowanie wody ( pierwotnej ) podgrzewanej w kotle do podgrzewania wody pitnej ( wtórnej ) znajdującej się w cylindrycznym naczyniu (zwykle wykonanym z miedzi) – który jest dostarczany z zbiornik lub kontener do przechowywania zimnej wody, zwykle w przestrzeni dachowej budynku. Zapewnia to dość stały dopływ CWU (ciepła woda użytkowa) przy niskim ciśnieniu statycznym, ale zwykle z dobrym przepływem . W większości innych części świata urządzenia do podgrzewania wody nie wykorzystują zbiornika ani pojemnika na zimną wodę, ale podgrzewają wodę pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia wody wodociągowej.
Inne ulepszenia
Inne ulepszenia podgrzewaczy wody obejmują urządzenia z zaworami zwrotnymi na wlocie i wylocie, liczniki cykli, elektroniczny zapłon w przypadku modeli na paliwo, uszczelnione układy wlotu powietrza w przypadku modeli na paliwo oraz izolację rur. Uszczelnione rodzaje systemów wlotu powietrza są czasami nazywane „środkowo belek ” jednostki ssania. Wysokowydajne agregaty kondensacyjne mogą przetwarzać do 98% energii zawartej w paliwie na podgrzewanie wody. Spaliny są chłodzone i mechanicznie wentylowane przez dach lub przez ścianę zewnętrzną. Przy wysokich wydajnościach spalania musi być zapewniony odpływ do odprowadzania wody skroplonej z produktów spalania, którymi są przede wszystkim dwutlenek węgla i para wodna.
W tradycyjnej instalacji wodociągowej w Wielkiej Brytanii kocioł do ogrzewania pomieszczeń jest skonfigurowany do podgrzewania oddzielnego zasobnika ciepłej wody lub podgrzewacza wody na ciepłą wodę pitną. Takie podgrzewacze wody są często wyposażone w pomocniczą elektryczną grzałkę zanurzeniową do użytku, gdy kocioł jest nieczynny przez pewien czas. Ciepło z kotła grzewczego jest przekazywane do zbiornika/pojemnika podgrzewacza wody za pomocą wymiennika ciepła, a kocioł pracuje w wyższej temperaturze niż dostarczanie ciepłej wody pitnej. Większość podgrzewaczy wody pitnej w Ameryce Północnej jest całkowicie oddzielona od urządzeń do ogrzewania pomieszczeń, ze względu na popularność systemów HVAC / wymuszonego powietrza w Ameryce Północnej.
Domowe ogrzewacze wody do spalania produkowane od 2003 r. w Stanach Zjednoczonych zostały przeprojektowane tak, aby były odporne na zapłon palnych oparów i wyposażone w wyłącznik termiczny, zgodnie z normą ANSI Z21.10.1. Pierwsza funkcja ma na celu zapobieganie zapłonowi oparów z łatwopalnych cieczy i gazów w pobliżu grzejnika, a tym samym spowodowaniu pożaru domu lub wybuchu. Druga cecha zapobiega przegrzaniu zbiornika z powodu nietypowych warunków spalania. Te wymogi bezpieczeństwa zostały wprowadzone w odpowiedzi na przechowywanie lub rozlewanie benzyny lub innych łatwopalnych cieczy w pobliżu podgrzewaczy wody przez właścicieli domów i powodowanie pożarów. Ponieważ większość nowych projektów zawiera pewien rodzaj ekranu odcinającego płomienie , wymagają one monitorowania, aby upewnić się, że nie zostaną zatkane kłaczkami lub kurzem, co zmniejsza dostępność powietrza do spalania. Jeśli przerywacz płomieni zostanie zatkany, wyłącznik termiczny może zadziałać, aby wyłączyć nagrzewnicę.
Piec wetback ( NZ ) wetback grzejnik (NZ) lub do tyłu w kotle (PL) jest prosta domowego wtórnego ogrzewania wody z wykorzystaniem ciepła przypadkowy. Zwykle składa się z rury ciepłej wody biegnącej za kominkiem lub piecem (zamiast przechowywania ciepłej wody ) i nie ma możliwości ograniczenia ogrzewania. Nowoczesne wetbacki mogą prowadzić rurę w bardziej wyrafinowanej konstrukcji, aby wspomóc wymianę ciepła . Te projekty są wypierane przez rządowe przepisy dotyczące wydajności, które nie liczą energii zużytej do podgrzewania wody jako „wydajnie” wykorzystywanej.
Historia
Inny typ podgrzewacza wody opracowany w Europie poprzedzał model magazynowy. W Londynie, w Anglii, w 1868 roku malarz Benjamin Waddy Maughan wynalazł pierwszy przepływowy podgrzewacz wody do użytku domowego, który nie korzystał z paliwa stałego . Nazwany gejzerem na cześć islandzkiego gorącego źródła, wynalazek Maughana sprawił, że zimna woda na górze przepływała przez rury ogrzewane gorącymi gazami z palnika na dole. Gorąca woda spływała następnie do zlewu lub wanny. Wynalazek był nieco niebezpieczny, ponieważ nie było komina do odprowadzania podgrzanych gazów z łazienki. W Wielkiej Brytanii podgrzewacz wody jest nadal czasami nazywany gejzerem .
Wynalazek Maughna wpłynął na pracę norweskiego inżyniera mechanika Edwina Ruuda . Pierwszy automatyczny gazowy podgrzewacz wody typu zbiornik został wynaleziony około 1889 roku przez Ruuda po tym, jak wyemigrował do Pittsburgha w Pensylwanii (USA). Firma Ruud Manufacturing Company, istniejąca do dziś, poczyniła wiele postępów w projektowaniu i eksploatacji podgrzewaczy wody typu zbiornikowego i bezzbiornikowego.
Termodynamika i ekonomia
Woda zazwyczaj dostaje się do domów w USA w temperaturze około 10 °C (50 °F), w zależności od szerokości geograficznej i pory roku. Temperatura gorącej wody 50°C (122°F) jest zwykle stosowana do mycia naczyń, prania i brania prysznica, co wymaga, aby grzałka podniosła temperaturę wody o około 40°C (72°F), jeśli gorąca woda jest zmieszana z zimną wodą w miejscu użytkowania. Jednolity hydraulicznych przepisów technicznych Przepływ prysznic odniesienia 9.5 l (2,5 gal USA) na minutę. Zużycie zlewu i zmywarki wynosi od 4–11 l (1–3 galonów amerykańskich) na minutę.
Gaz ziemny często mierzy się objętością lub zawartością ciepła. Powszechnymi jednostkami miary objętości są metry sześcienne lub stopy sześcienne w warunkach standardowych lub zawartość ciepła w kilowatogodzinach , brytyjskie jednostki termiczne (BTU) lub term , co jest równe 100 000 BTU. BTU to energia potrzebna do podniesienia jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita. Amerykański galon wody waży 8,3 funta (3,8 kg). Aby podnieść 230 l (60 US gal) wody z 10 °C (50 °F) do 50 °C (122 °F) przy wydajności 90%, wymaga 60 × 8,3 × (122 - 50) × 1,11 = 39 840 BTU . Nagrzewnica o mocy 46 kW (157 000 BTU/h), jaka mogłaby istnieć w nagrzewnicy bezzbiornikowej, zajęłaby około 15 minut. Przy 1 dol. za term koszt gazu wyniósłby około 40 centów. Dla porównania, typowy elektryczny podgrzewacz wody o pojemności 230 l (60 galonów amerykańskich) ma element grzejny o mocy 4,5 kW (15 000 BTU/h), co przy 100% sprawności zapewnia czas nagrzewania wynoszący około 2,34 godziny. Przy 0,16 USD/kWh energia elektryczna kosztowałaby 1,68 USD.
Efektywność energetyczna podgrzewaczy wody w zastosowaniach domowych może się znacznie różnić, szczególnie w zależności od producenta i modelu. Jednak grzałki elektryczne bywają nieco bardziej wydajne (nie licząc strat w elektrowniach) ze sprawnością odzysku (jak sprawnie przekazuje energię do wody) sięgającą około 98%. Nagrzewnice gazowe mają maksymalną wydajność odzysku wynoszącą tylko około 82-94% (pozostałe ciepło jest tracone ze spalinami). Całkowite współczynniki energii mogą wynosić nawet 80% dla systemów elektrycznych i 50% dla systemów gazowych. Podgrzewacze wody na gaz ziemny i propan o współczynniku energetycznym 62% lub wyższym, a także elektryczne zasobnikowe podgrzewacze wody o współczynniku energetycznym 93% lub wyższym, są uważane za jednostki o wysokiej sprawności. Nagrzewnice wodne na gaz ziemny i propan spełniają wymagania Energy Star (stan na wrzesień 2010 r.) mają współczynnik energetyczny 67% lub wyższy, co jest zwykle osiągane przy użyciu pilota przerywanego wraz z automatyczną przepustnicą spalin, dmuchawami przegrodowymi lub wentylacją mechaniczną. Bezpośrednie elektryczne oporowe podgrzewacze wody nie są objęte programem Energy Star, jednak program Energy Star obejmuje elektryczne pompy ciepła o współczynniku energetycznym 200% lub wyższym. Gazowe podgrzewacze wody bez zbiorników (stan na 2015 r.) muszą mieć współczynnik energetyczny 90% lub wyższy, aby uzyskać kwalifikację Energy Star. Ponieważ produkcja energii elektrycznej w elektrociepłowniach charakteryzuje się sprawnością od zaledwie 15% do nieco ponad 55% ( turbina gazowa w cyklu skojarzonym ), przy czym około 40% typowych dla elektrociepłowni, bezpośrednie oporowe ogrzewanie wody może być najmniej efektywną energetycznie opcją. Jednak zastosowanie pompy ciepła może sprawić, że elektryczne podgrzewacze wody będą znacznie bardziej energooszczędne i prowadzić do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla, tym bardziej, jeśli wykorzystywane jest niskoemisyjne źródło energii elektrycznej. Korzystanie z centralnego ogrzewania wykorzystującego ciepło odpadowe z wytwarzania energii elektrycznej i innych gałęzi przemysłu do ogrzewania domów i ciepłej wody zapewnia zwiększoną ogólną wydajność, eliminując potrzebę spalania paliw kopalnych lub używania energii elektrycznej o wysokiej wartości energetycznej do wytwarzania ciepła w indywidualnym domu.
Niestety do podgrzania wody potrzeba dużo energii, czego można się doświadczyć, czekając na zagotowanie litra wody na kuchence. Z tego powodu bezzbiornikowe podgrzewacze wody na żądanie wymagają potężnego źródła energii. Dla porównania, standardowe ścienne gniazdko elektryczne o napięciu 120 V i prądzie znamionowym 15 amperów zapewnia tylko wystarczającą moc do ogrzania rozczarowująco małej ilości wody: około 0,17 galona amerykańskiego (0,64 l) na minutę w temperaturze 40°C (72°F) podniesienie.
Energię zużywaną przez elektryczny podgrzewacz wody można zmniejszyć nawet o 18% dzięki optymalnemu harmonogramowi i kontroli temperatury opartej na znajomości wzorców użytkowania.
Minimalne wymagania w USA
W dniu 16 kwietnia 2015 r. w ramach National Appliance Energy Conservation Act (NAECA) weszły w życie nowe minimalne standardy wydajności domowych podgrzewaczy wody ustalone przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych . Wszystkie nowe podgrzewacze wody ze zbiornikiem magazynującym gaz o pojemności mniejszej niż 55 galonów amerykańskich (210 l; 46 galonów amerykańskich) sprzedawane w Stanach Zjednoczonych w 2015 r. lub później muszą mieć współczynnik energetyczny co najmniej 60% (dla jednostek o pojemności 50 galonów amerykańskich, wyższe dla mniejszych jednostek), zwiększone w stosunku do minimalnego standardu sprzed 2015 r. wynoszącego 58% współczynnika energii dla jednostek gazowych o pojemności 50 galonów amerykańskich. Elektryczne podgrzewacze wody z zasobnikiem o pojemności mniejszej niż 55 galonów amerykańskich sprzedawane w Stanach Zjednoczonych mają współczynnik energii wynoszący co najmniej 95%, zwiększony z minimalnego standardu sprzed 2015 r. wynoszącego 90% dla jednostek elektrycznych o pojemności 50 galonów amerykańskich.
Zgodnie ze standardem z 2015 roku, po raz pierwszy zasobnikowe podgrzewacze wody o pojemności 55 galonów amerykańskich lub większej teraz spełniają bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności niż te o pojemności 50 galonów amerykańskich lub mniejszej. Zgodnie ze standardem sprzed 2015 r., gazowy podgrzewacz wody o pojemności 75 galonów USA (280 l; 62 imp gal) o nominalnym poborze mocy 22 kW (75 000 BTU/h) lub mniej był w stanie mieć współczynnik energetyczny na poziomie 53% , podczas gdy zgodnie ze standardem z 2015 r. minimalny współczynnik energii dla podgrzewacza wody o pojemności 75-galonów USA wynosi obecnie 74%, co można osiągnąć tylko przy użyciu technologii kondensacji. Akumulacyjne podgrzewacze wody o nominalnej mocy wejściowej 22 kW (75 000 BTU/h) lub większej nie podlegają obecnie tym wymogom, ponieważ dla takich jednostek nie zdefiniowano współczynnika energii. Elektryczny podgrzewacz wody o pojemności 80 galonów amerykańskich (300 l; 67 imp gal) był w stanie mieć minimalny współczynnik energii wynoszący 86% zgodnie ze standardem sprzed 2015 r., podczas gdy zgodnie ze standardem 2015 r. Minimalny współczynnik energii dla 80-galonowego elektryczny podgrzewacz wody w zasobniku wynosi obecnie 197%, co jest możliwe tylko w technologii pompy ciepła . Ta ocena mierzy wydajność w miejscu użytkowania. W zależności od tego, jak wytwarzana jest energia elektryczna, ogólna wydajność może być znacznie niższa. Na przykład w tradycyjnej elektrowni węglowej tylko około 30–35% energii zawartej w węglu trafia do prądu na drugim końcu generatora. Straty w sieci elektrycznej (w tym straty linii i straty transformacji napięcia) dodatkowo zmniejszają sprawność elektryczną. Według danych Energy Information Administration straty przesyłowe i dystrybucyjne w 2005 r. pochłonęły 6,1% produkcji netto. Natomiast 90% wartości energetycznej gazu ziemnego jest dostarczane do konsumenta. (W żadnym przypadku energia wydatkowana na poszukiwanie, rozwijanie i wydobywanie zasobów węgla lub gazu ziemnego nie jest uwzględniona w podanych wartościach wydajności.) Gazowe podgrzewacze wody bez zbiorników powinny mieć współczynnik energetyczny wynoszący 82% lub wyższy zgodnie z normami z 2015 r., co odpowiada -2015 standard Energy Star.
Bezpieczeństwo podgrzewacza wody
Zagrożenie wybuchem
Podgrzewacze wody potencjalnie mogą eksplodować i spowodować poważne uszkodzenia, obrażenia lub śmierć, jeśli nie zostaną zainstalowane pewne urządzenia zabezpieczające. Urządzenie zabezpieczające zwane zaworem nadmiarowym temperatury i ciśnienia (T&P lub TPR) jest zwykle montowane na górze podgrzewacza wody, aby zrzucić wodę, jeśli temperatura lub ciśnienie staną się zbyt wysokie. Większość przepisów hydraulicznych wymaga, aby rura odprowadzająca była podłączona do zaworu, aby skierować przepływ odprowadzanej gorącej wody do odpływu, zwykle pobliskiego odpływu podłogowego lub na zewnątrz pomieszczenia mieszkalnego. Niektóre przepisy budowlane pozwalają na zakończenie rury odprowadzającej w garażu.
Jeśli podgrzewacz wody opalany gazem lub propanem jest zainstalowany w garażu lub piwnicy, wiele przepisów dotyczących instalacji wodociągowych wymaga, aby był on podniesiony co najmniej 46 cm nad podłogę, aby zmniejszyć ryzyko pożaru lub wybuchu z powodu rozlania lub wycieku materiałów palnych płyny w garażu. Ponadto niektóre lokalne przepisy nakazują, aby ogrzewacze zbiornikowe w nowych i modernizowanych instalacjach były mocowane do sąsiedniej ściany za pomocą paska lub kotwy, aby zapobiec przewróceniu się i przerwaniu rur wodnych i gazowych w przypadku trzęsienia ziemi .
W starszych domach, w których podgrzewacz wody jest częścią kotła grzewczego, a przepisy hydrauliczne pozwalają, niektórzy hydraulicy instalują automatyczne odcięcie gazu (takie jak „Watts 210”) oprócz zaworu TPR. Gdy urządzenie wykryje, że temperatura osiągnie 99°C (210°F), odcina dopływ gazu i zapobiega dalszemu nagrzewaniu. Ponadto należy zainstalować zbiornik wyrównawczy lub zewnętrzny zawór bezpieczeństwa, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia w instalacji wodociągowej w wyniku pęknięcia rur, zaworów lub podgrzewacza wody.
Oparzenia termiczne (oparzenia)
Oparzenie jest poważnym problemem w przypadku każdego podgrzewacza wody. Ludzka skóra pali się szybko w wysokiej temperaturze, w mniej niż 5 sekund w 60 °C (140 °F), ale znacznie wolniej w 53 °C (127 °F) — oparzenie drugiego stopnia zajmuje całą minutę . Starsi ludzie i dzieci często doznają poważnych oparzeń z powodu niepełnosprawności lub powolnego czasu reakcji . W Stanach Zjednoczonych i innych krajach powszechną praktyką jest umieszczanie zaworu hartującego na wylocie podgrzewacza wody. Wynik zmieszania ciepłej i zimnej wody za pomocą zaworu regulującego określany jest jako „woda temperowana”.
Zawór temperujący miesza wystarczającą ilość zimnej wody z ciepłą wodą z podgrzewacza, aby utrzymać stałą temperaturę wody wychodzącej na bardziej umiarkowaną temperaturę, często ustawioną na 50°C (122°F). Bez zaworu odpuszczającego obniżenie temperatury zadanej podgrzewacza wody jest najbardziej bezpośrednim sposobem na ograniczenie poparzenia. Jednak do celów sanitarnych potrzebna jest gorąca woda o temperaturze, która może powodować oparzenia. Można to osiągnąć za pomocą dodatkowej grzałki w urządzeniu, które wymaga cieplejszej wody. Na przykład większość domowych zmywarek do naczyń zawiera wewnętrzny elektryczny element grzejny, który podnosi temperaturę wody powyżej temperatury zapewnianej przez podgrzewacz wody użytkowej.
Zanieczyszczenie bakteryjne
Dwie sprzeczne kwestie bezpieczeństwa wpływają na temperaturę podgrzewacza wody — ryzyko oparzenia nadmiernie gorącą wodą o temperaturze wyższej niż 55 ° C (131 ° F) oraz ryzyko inkubacji kolonii bakterii, zwłaszcza Legionella , w wodzie, która nie jest wystarczająco gorąca, aby je zabić. Oba zagrożenia są potencjalnie zagrażające życiu i można je równoważyć ustawiając termostat podgrzewacza wody na 55°C (131°F). Europejskie wytyczne dotyczące kontroli i zapobiegania chorobie legionistów związanej z podróżą zalecają przechowywanie gorącej wody w temperaturze 60 °C (140 °F) i rozprowadzanie jej w taki sposób, aby temperatura wynosiła co najmniej 50 °C (122 °F), a najlepiej 55 °C. C (131 °F) osiąga się w ciągu jednej minuty w punktach użytkowania.
Jeśli jest zmywarka bez grzałki wspomagającej, może ona wymagać temperatury wody w zakresie 57–60 °C (135–140 °F) dla optymalnego czyszczenia, ale zawory do temperowania ustawione na nie więcej niż 55 °C (131 ° F) można nakładać na krany, aby uniknąć poparzenia. Temperatury zbiornika powyżej 60 °C (140 °F) mogą powodować osadzanie się kamienia wapiennego , który później może gromadzić bakterie w zbiorniku na wodę. Wyższe temperatury mogą również zwiększyć trawienie szkła w zmywarce.
Termostaty w zbiorniku nie są wiarygodnym przewodnikiem po wewnętrznej temperaturze zbiornika. Zbiorniki wodne opalane gazem mogą nie mieć pokazanej kalibracji temperatury. Termostat elektryczny pokazuje temperaturę na wysokości termostatu, ale woda niżej w zbiorniku może być znacznie chłodniejsza. Termometr wylotowy jest lepszym wskaźnikiem temperatury wody.
W branży energii odnawialnej (w szczególności solary i pompy ciepła) konflikt między codzienną termiczną kontrolą Legionelli a wysokimi temperaturami, które mogą obniżyć wydajność systemu, jest przedmiotem gorącej debaty. W dokumencie poszukującym zielonego zwolnienia z normalnych norm bezpieczeństwa legionellozy, czołowy europejski komitet techniczny CEN ds. energii słonecznej i cieplnej TC 312 twierdzi, że 50% spadek wydajności miałby miejsce, gdyby słoneczne systemy podgrzewania wody były codziennie podgrzewane do podstawy. Jednak niektóre analizy symulatorów słonecznych wykorzystujące Polysun 5 sugerują, że bardziej prawdopodobna jest kara 11% energii. Niezależnie od kontekstu, zarówno wymagania dotyczące wydajności energetycznej, jak i bezpieczeństwa przed oparzeniami skłaniają do znacznie niższych temperatur wody niż temperatura pasteryzacji Legionella wynosząca około 60 °C (140 °F).
Legionella pneumophila została wykryta w miejscu użycia za montowanymi poziomo elektrycznymi podgrzewaczami wody o pojemności 150 litrów.
Jednak Legionella może być bezpiecznie i łatwo kontrolowana dzięki dobrym protokołom projektowym i inżynieryjnym. Na przykład podniesienie temperatury podgrzewaczy wody raz dziennie lub nawet raz na kilka dni do 55°C (131°F) w najzimniejszej części podgrzewacza wody na 30 minut skutecznie zwalcza legionellę. We wszystkich przypadkach, aw szczególności w zastosowaniach energooszczędnych, choroba legionistów jest najczęściej wynikiem problemów projektowych, które nie uwzględniają wpływu stratyfikacji lub niskiego przepływu.
Możliwe jest również kontrolowanie zagrożenia Legionellą poprzez chemiczne uzdatnianie wody. Ta technika pozwala na utrzymanie niższych temperatur wody w rurociągu bez związanego z tym ryzyka Legionelli. Zaletą niższych temperatur rur jest to, że zmniejsza się szybkość strat ciepła, a tym samym zmniejsza się zużycie energii.