Принцип работы электрических котлов для отопления

Не все населенные пункты России газифицированы, поэтому многие домовладельцы интересуются электрокотлами – что это за устройства, каковы их преимущества и недостатки, как работает подобная техника. Волнуют людей и эксплуатационные расходы.

Что такое электрический котел отопления

Так называют прибор, состоящий из следующих частей:

1. Теплообменника – цилиндрической емкости с 2 резьбовыми штуцерами для соединения с трубопроводом.
2. Нагревательного элемента (ТЭНа, электрода или индукционной катушки), питающегося от сети 220 или 380 В.
3. Блока автоматики, включающего в себя контроллер с органами управления и термодатчики.

У некоторых моделей все компоненты помещены в корпус.

В современные бытовые электрокотлы устанавливают дополнительные узлы:

• циркуляционный насос;
• мембранный расширительный бачок;
• манометр;
• воздухоотводчик;
• предохранительный клапан.

Последние 3 позиции называют группой безопасности. Владельцу такой модели остается только смонтировать и подсоединить к ней отопительный контур из труб и радиаторов.

Котел электрический промышленный для централизованных систем отличается повышенной мощностью и состоит только из главных узлов. Насосы, расширительные емкости и прочие элементы приобретаются и устанавливаются отдельно. Оборудование внесено в общероссийский классификатор основных фондов (ОКОФ). Здесь ему присвоен код 14 2914135.

В ОКПД 2 категория “Электрокотлы” отсутствует. Есть водогрейные агрегаты центрального отопления, работающие с использованием прочих видов энергии. Код – 28.22.12.190.

Достоинства и недостатки электрокотлов

Такие приборы считаются самыми удобными в эксплуатации, поскольку обладают следующими преимуществами:

1. Работают бесшумно.
2. Нет выхлопа, не требуется дымоход.
3. Безопасность: отсутствует пламя, нет риска взрыва, отравления природным или угарным газом.
4. Котельная не нуждается в специальной вентиляции с высокой производительностью. Для установки агрегата подходит любое вспомогательное помещение.
5. Полная автоматизация. Благодаря этому электрокотлы хорошо приспособлены для работы в составе «умного дома».
6. Отсутствие тепловой инерции, регулировка мощности – в широких пределах. Чтобы добиться того же от газового котла, необходимо устанавливать дорогостоящую модулированную горелку. Для твердотопливных аналогов такие качества вовсе недостижимы.
7. Возможность работы в низкотемпературном режиме. Если газовые и твердотопливные агрегаты боятся холодной «обратки» из-за выпадения на теплообменнике кислотного конденсата, то на функционировании электроприбора это явление не отражается.

Есть и существенные недостатки:

1. Большие эксплуатационные затраты. Электричество – самый дорогой энергоноситель.
2. Ограничение по мощности со стороны РЭС.
3. Зависимость от централизованной сети. В этом электрокотлы проигрывают автономным твердотопливным. Но зато их владельцам не приходится хранить дрова или уголь и закладывать их в агрегат каждые 4 часа.

На 1 домохозяйство РЭС отводит 7 кВт, иногда до 10, если позволяет состояние сетей. А ведь кроме котла в жилище имеется еще много электроприемников.

Таким образом, для дачного домика или иной небольшой постройки маломощный отопитель на 4-6 кВт подойдет. Но для обогрева загородного коттеджа площадью, например, 140 кв. м в самый холодный период в среднем требуется 14 кВт. Как минимум придется получать разрешение на подключение столь мощного агрегата в энергонадзоре. Но такая возможность может отсутствовать физически: те, кому приходилось бывать в отдаленных населенных пунктах, знают о запущенном состоянии сетей. Чтобы подключить котел на 15 кВт, иногда приходится менять трансформатор на подстанции.

Дороговизна электроэнергии – тоже большой недостаток.

Разновидности оборудования

Котлы классифицируются по нескольким признакам.

По способу установки существуют такие типы электроотопителей:

• напольные;
• настенные.

Вторые удобны тем, что не занимают полезного места. Такой прибор можно повесить в кухне над разделочным столом. Но из соображений безопасности масса настенной модели, а значит, и теплопроизводительность, ограничены.

С напольным котлом все наоборот. Его мощность может достигать 70 кВт, но необходимо освободить место под установку.

По функциональности агрегаты делятся на одно- и двухконтурные. Первые предназначены только для обслуживания системы отопления, вторые используются еще и как проточный водяной нагреватель.

Одновременное выполнение функций невозможно. В момент приготовления горячей жидкости для хознужд в отопительный контур тепло не подается. Если она требуется в больших объемах, рекомендуется приобрести отдельный бойлер или «проточник».

По способу нагрева различают следующие виды электрических котлов:

1. ТЭНовые.
2. Ионные.
3. Индукционные.

У каждого варианта есть свои достоинства и недостатки.

Принцип работы

Электроотопительные котлы функционируют автоматически. Все, что им нужно, – это бесперебойное питание от сети. Но принцип действия у каждой из 3 разновидностей оборудования свой.

ТЭНовые

Наряду с электродными, эти приборы являются самыми распространенными.

Роль теплообменника в таком агрегате играет трубчатый электронагреватель, или ТЭН. Его главный элемент – спираль из нихрома или другого сплава с высоким сопротивлением (резистивностью), нагревающаяся при прохождении тока. Проволока находится в нержавеющей или медной трубке, заполненной песком либо молотой керамикой.

Нагревательный элемент помещают внутрь теплообменника, наружу выступает только хвостовик с контактами.

Рядом устанавливают еще как минимум 2 ТЭНа. Таким образом обеспечивают несколько ступеней мощности.

ТЭНовый котел обладает следующими достоинствами:

1. Плавный выход на номинальный режим: нагреватели включаются один за другим, что позволяет избежать скачков напряжения в сети.
2. Регулировка производительности в широких пределах. Тоже объясняется наличием нескольких уровней мощности.
3. Надежность. Если какой-либо электронагревательный элемент выходит из строя, котел остается работоспособным, теряя лишь до 30% производительности. При этом перегоревшая деталь легко меняется, новая стоит недорого.

Недостатки таких котлов:

1. Нагреватель контактирует с рабочей средой, потому к ней предъявляется ряд требований. Нужна обессоленная вода, иначе ТЭН покрывается накипью. Обладая низкой теплопроводностью, осадок снижает мощность котла и вызывает перегрев нити накаливания, от чего та может сгореть. Если вместо воды предполагается использовать антифриз, необходимо установить ТЭН с трубкой из материала, устойчивого к агрессивному воздействию.
2. Срок эксплуатации элемента ограничен. Рано или поздно нихромовая спираль выходит из строя, и ТЭН меняют.
3. Недопустимость включения не заполненного жидкостью оборудования.

Ионные

У электродного котла нагреватель как таковой отсутствует. В этой роли выступает сама рабочая среда. Внутрь теплообменника помещается электрод – отрезок толстой проволоки. Он и стенка резервуара подключены к источнику напряжения, вследствие чего между ними по рабочей среде проходит ток, вызывающий ее нагрев. Т. е. прибор работает аналогично импровизированному кипятильнику из 2 лезвий.

Преимущества данного решения:

1. Низкая стоимость. Обусловлена простой конструкцией.
2. Неуязвимость. В силовой части электродного котла нечему ломаться.
3. Защита от работы всухую. В условиях отсутствия теплоносителя силовая цепь размыкается, и обогревательный прибор автоматически отключается.
4. Есть модели, способные функционировать в гравитационных системах.
5. Компактность. На фото можно увидеть, что котел без насоса и расширительного бачка лишь немногим превосходит по диаметру трубу отопления.

Недостатки:

1. Надо готовить воду строго заданной солености. От этого показателя зависит сопротивление проводящей среды, а значит, и мощность нагрева. Ионы солей выступают носителями заряда.
2. Прохождение тока в жидкости сопровождается электролизом. Процесс состоит в концентрации на полюсах положительных и отрицательных ионов, образовавшихся вследствие распада молекул воды и примесей. Это приводит к появлению пузырей газа, в т. ч. горючего водорода. Система, особенно закрытая, легко завоздушивается, при стравливании пробки приходится соблюдать осторожность (не курить и не использовать открытый огонь).
3. Не регулируется мощность. Ее уровень прибор корректирует длительностью функционирования. При пуске возникают скачки напряжения в сети.
4. Электроды периодически нужно менять, т. к. они растворяются.

Обеспечить требуемую соленость жидкости несложно. Но из-за электролиза она постоянно колеблется в процессе работы котла, а с ней и его мощность.

Каждые 40-50 дней приходится заливать новый теплоноситель, поскольку производительность прибора сокращается наполовину. Хорошо еще, что в этом качестве может использоваться вода из-под крана.

Индукционные

Нагревательным элементом такого оборудования является теплообменник и расположенный внутри него сердечник. Ток возникает не за счет непосредственного подключения к источнику напряжения, а наводится удаленно – переменным электромагнитным полем. Оно генерируется индукционной катушкой. Некоторые модели работают на промышленной частоте в 50 Гц. Для них характерны большие размеры и явственное гудение.

В других модификациях сетевой ток сначала выпрямляет диодный мост, затем инвертор снова превращает его в переменный с частотой в десятки кГц. Такой агрегат компактнее и работает бесшумно.

Преимущества индукционного котла:

1. Главный силовой элемент оборудования – катушка – не соприкасается с теплоносителем. Из-за этого срок ее службы неограничен.
2. Допускается заливать в систему любую жидкость, в т. ч. антифризы разных марок.
3. На горячих поверхностях не образуется накипь. Считается, что этому препятствуют микровибрации.
4. Быстрый прогрев рабочей среды. Объясняется большой площадью горячих поверхностей.

Недостатки:

1. Высокая стоимость. Индукционный котел в 2-4 раза дороже ТЭНового такой же производительности.
2. Большой вес. В зависимости от мощности может варьироваться от 24 до 76 кг (устройства на 5 и 20 кВт соответственно).
3. Теплопроизводительность не регулируется. При включении прибора наблюдаются скачки напряжения в сети.
4. Недопустимость работы всухую.

ТЭНовые котлы наиболее востребованы. Этому способствуют отличные технические характеристики и доступная цена, хотя и несколько большая, чем у ионных аналогов. Индукционные агрегаты пока слишком дорогие и появились они недавно, поэтому статистики по их долговечности еще нет.

Дешевый электродный отопитель можно приобрести для дачи с сезонным проживанием, чтобы поддерживать в помещении комфортную температуру в холодное время.

Способы расчета мощности

Номинальная производительность котла должна быть равна теплопотерям дома в самый холодный период. Их рассчитывают по методике, изложенной в СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование», с учетом температур и коэффициентов из «Строительной климатологии».

Менее точный результат дают упрощенные способы, подходящие для зданий со стандартной архитектурой и высотой потолков до 3 м.

По площади дома

Подсчет ведут по формуле: W = S*K, где:

• W – мощность котла;
• S – суммарная квадратура отапливаемых помещений;
• K – удельные теплопотери.

Значения К (Вт):

• южные регионы – 60-80;
• средняя полоса России – 90-110;
• северные области – 120-200.

Таким образом, для дома площадью 100 кв. м в Подмосковье потребуется котел мощностью 100*100 = 10 000 В = 10 кВт. В расчете на экстремальные холода к итоговой цифре рекомендуется добавить запас в 20%.

По объему помещения

Формула расчета имеет вид: W = V*K. где V – кубатура объекта, а K – удельные теплопотери.

Значения К (Вт):

• юг России – 24-32;
• средняя полоса – 36-44;
• северные области – 48-80.

Для электроотопителя, установленного в доме с сезонным проживанием, запас в 20% не добавляют. А если прибор нужен только для поддержания плюсовой температуры в отсутствие хозяев (есть основной агрегат на другом энергоносителе), от расчетной величины отнимают 30%.

Самый экономный электрокотел для отопления частного дома

Уровень затрат не зависит от принципа действия оборудования. Все приборы, греющие среду за счет резистивности материалов, превращают в тепло почти 100% потребляемой электроэнергии, за исключением пренебрежимо малой доли в виде потерь в проводах и соединениях.

Сэкономить помогут следующие решения:

1. Погодозависимая автоматика. Исключает перерасход энергии, поскольку котел своевременно реагирует на потепление и успевает снизить мощность до оптимального уровня.
2. Режим программирования. Прибор с такой функцией самостоятельно снижает производительность на то время, пока хозяева на работе, и увеличивает к вечеру.
3. Врезка в систему отопления теплоаккумулятора и переход на двуставочный тариф оплаты электричества со скидкой в ночное время до 50%.

Последний пункт необходимо разъяснить. Теплоаккумулятором называют большую емкость в оболочке из минеральной ваты, содержащую запас воды. Устанавливается она рядом с котлом и подсоединяется к нему 2 трубами. Отопитель работает только ночью, когда электроэнергия стоит в 2 раза дешевле. Вода циркулирует между ним и теплоаккумулятором (малый круг), и постепенно весь объем нагревается до +98 ˚С.

С другой стороны к емкости подсоединен отопительный контур со своим насосом и смесительным узлом. Последний оснащен 3-ходовым клапаном, управляемым термодатчиком. Когда температура циркулирующей в системе жидкости упадет до установленного пользователем минимума, смесительный узел подбросит в него горячую порцию из аккумулятора. При этом такой же объем остывшей воды вернется в емкость. Это т. н. большой круг. Так накопительное устройство работает и днем, когда котел выключен.

Экономичная альтернатива электрическому отопителю – кондиционер «зима-лето». Этот прибор еще называют тепловым насосом. При обогреве он использует другой принцип, не резистивный. На 1 кВт потребленной электроэнергии кондиционер выдает в 3-5 раз больше тепла. Но пользоваться им можно только в межсезонье, когда столбик термометра на улице не опускается ниже -5 °С.

Правила установки и схема подключения

Нормативные документы выдвигают следующие требования к монтажу оборудования:

1. Место для котла выбирать с тем расчетом, чтобы выдерживалось минимальное расстояние до конструкций: стены – 5 см, потолка – 80 см, пола – 50 см (навесные модели), до любой трубы, кроме отопительного контура, – 50 см.
2. Напольный агрегат устанавливать на специальную подставку (имеется в комплекте).
3. Обеспечить свободный доступ к передней панели устройства.
4. Не включать прибор в розетку общей домовой электросети – в соседних (из той же группы) во время пуска оборудования будут наблюдаться скачки напряжения. Для него тянут отдельную линию от распределительного щита.
5. Использовать медный кабель марки ВВГнг-лс или NIM с сечением, подобранным по мощности устройства. Число жил для двух- и трехфазного (более 7 кВт) приборов – 3 и 4 соответственно.
6. Корпус котла и другие металлические части, не относящиеся к токоведущим, подключить к контуру заземления.
7. Подсоединение кабеля к шине распредщита осуществить через автомат и УЗО. Сращивать провода методами, допускаемыми ПУЭ 7.
8. Если используется трехфазная модель, предохранитель установить на стене рядом с ней.

Устройство защитного отключения настраивается на утечку в 30 мА. Номинальная нагрузка – на ступень выше, чем у автомата.

Можно ли сделать электрический котел в домашних условиях своими руками

Силовая часть отопителей всех видов устроена просто, поэтому их самостоятельное изготовление не представляет сложности. ТЭН, терморегулятор и прочие изделия приобретаются в магазине. Стоимость самоделки окажется как минимум вдвое ниже цены заводского прототипа.

Изготавливать котел большой мощности небезопасно. Лучше ограничиться производительностью в 6 кВт.

Какие материалы понадобятся

Для ТЭНового котла необходим следующий набор:

• термоэлектрические нагреватели и штуцеры с внутренней резьбой для них;
• металлическая труба ДУ 150 или старый баллон из-под газа;
• 2 круглые заглушки из стального листа соответствующего диаметра;
• шаровой кран;
• пара фитингов;
• муфты;
• автоматический воздухоотводчик.

Из баллона и заглушек с помощью сварки изготавливают емкость со штуцерами, в нее врезают ТЭНы.

Материалы для ионного котла:

• стальная труба ДУ 50;
• прут диаметром 20 мм;
• фланец;
• 2 муфты с внутренней резьбой;
• диэлектрик;
• резиновый уплотнитель;
• болты и гайки.

Сборку конструкции осуществляют с помощью сварочного аппарата. Готовое изделие покрывают термостойкой эмалью. Корпус оснащают болтом, через который устройство заземляют.

Для индукционного котла понадобятся:

• провод медный диаметром 1-1,5 мм в эмалевой изоляции;
• фрагменты нержавеющей проволоки (3-5 мм) длиной 5 см;
• мелкоячеистая сетка из нержавейки;
• отрезок полипропиленовой трубы для отопления D=50 мм со стенкой 8,4 мм (длина – 1 м);
• 2 шаровых крана;
• тройник (для подключения предохранительного клапана);
• 2 переходника с ДУ 50;
• полосы текстолита;
• эпоксидный клей.

Сердечником в данном случае будет служить отрезок трубы, заполненный рубленой проволокой. Ее торцы закрывают сеткой, а на тело навивают кабель – всего делают 90 оборотов. Полученную катушку соединяют с инвертором.

Вывод

У электрокотлов есть только один весомый недостаток – высокая стоимость энергоносителя. Уменьшить затраты помогут погодозависимая автоматика, функция программирования и переход на тариф с ночной скидкой.

Также пользователей часто интересует, какой котел лучше – тэновый или электродный. Для ответа на данный вопрос нужно знать несколько фактов.