Încălzire a apei

Există o gamă largă de dușuri electrice, cu diferite tipuri de comenzi de încălzire. Elementul de încălzire al unui duș electric este scufundat în curentul de apă, folosind un element de rezistență la nicrom izolat electric și învelit electric, cum ar fi cele utilizate la încălzitoarele de ulei, radiatoarele sau fierele de călcat, asigurând siguranță. Datorită standardelor de siguranță electrică, dușurile electrice moderne sunt fabricate din plastic în loc să folosească carcase metalice ca în trecut. La fel ca un aparat electric care folosește mai mult curent electric decât o mașină de spălat sau un uscător, o instalație de duș electric necesită o planificare atentă și este de obicei destinată să fie cablată direct din cutia de distribuție electrică cu un întrerupător și un sistem de control. Un sistem instalat necorespunzător cu fire vechi de aluminiu sau conexiuni defectuoase poate fi periculos, deoarece firele se pot supraîncălzi sau curentul electric poate scurge prin scurgerea de apă prin corpul utilizatorului către pământ.

Încălzitoare solare de apă

Din ce în ce mai mult, se folosesc încălzitoare de apă cu energie solară . Colectorii lor solari sunt instalați în afara caselor, de obicei pe sau lângă acoperiș sau pereți, iar rezervorul de apă caldă menajeră este de obicei un încălzitor de apă convențional preexistent sau nou, sau un încălzitor de apă special conceput pentru energia termică solară .

Cele mai de bază modele sunt sistemele directe, în care apa potabilă este trimisă direct la colector. Multe dintre aceste sisteme utilizează terminologia engleză de stocare integrată a colectorului (ICS) , colectorul și rezervorul de stocare fiind integrate direct într-una și aceeași unitate. Încălzirea directă a apei este în mod inerent mai eficientă decât încălzirea indirectă prin schimbătoare de căldură, dar aceste sisteme oferă o protecție la îngheț foarte limitată (dacă există), pot încălzi cu ușurință apa la temperaturi periculoase în gospodărie, iar sistemele ICS suferă pierderi de căldură în nopțile reci și pe frig zile înnorate.

Pe de altă parte, sistemele de circuite închise sau indirecte (în engleză , sisteme cu buclă indirectă sau închisă ) nu permit trecerea apei potabile prin panouri, ci mai degrabă pompează un fluid de transfer de căldură (apă sau amestec apă / antigel) prin panouri . După colectarea căldurii în panouri, lichidul de răcire curge printr-un schimbător de căldură, transferându-și căldura în apă fierbinte potabilă. Când panourile sunt mai reci decât rezervorul de stocare sau când rezervorul de stocare a atins deja temperatura maximă, regulatorul sistemelor cu buclă închisă oprește pompa de circulație . Într-un sistem de autodrenare (în engleză drainback ), apa curge într-un rezervor de stocare conținut într-un spațiu condiționat sau semi-condiționat, protejat de temperaturi scăzute și îngheț. Cu sistemele antigel, însă, pompa trebuie să funcționeze dacă temperatura panoului devine prea ridicată (pentru a preveni degradarea antigelului) sau prea rece (pentru a preveni înghețarea amestecului apă / antigel).

Cele Colectoarele plate sunt utilizate în mod obișnuit în sistemele de buclă închisă. Panourile plane, care seamănă adesea ferestrele târâtoare , Sunt tipul de colector mai durabil și le oferă , de asemenea , cea mai bună performanță pentru sistemele proiectate pentru temperatura medie a lichidului de răcire între 30 și 60 ° C . Panourile plate sunt utilizate în mod regulat în sistemele de apă pură și folosind antigel.

Un alt tip de colector solar este colectorul de tub evacuat, conceput pentru climă rece care nu prezintă grindină severă și / sau aplicații care necesită temperaturi mai ridicate. Așezați într-un cadru, colectoarele de tuburi evacuate formează un rând de tuburi de sticlă care conțin fiecare aripioare de absorbție atașate la o tijă centrală conductoare de căldură (cupru sau condensator). Descrierea vidului se referă la vidul creat în tuburile de sticlă în timpul procesului de fabricație, care are ca rezultat pierderi de căldură foarte mici și permite sistemelor de tuburi vidate să atingă temperaturi extreme, mult dincolo de punctul de fierbere al apei.

Încălzire geotermală

În țări precum Islanda și Noua Zeelandă și alte regiuni vulcanice, încălzirea apei se poate face folosind mai degrabă energie geotermală decât combustie .

Sistem alimentat prin gravitate

Când se utilizează un cazan pentru încălzirea spațiului, instalația tradițională din Regatul Unit este de a folosi apa încălzită de cazan (primar - primar ) pentru a încălzi apa potabilă (în engleză secundar ) conținută într-un recipient cilindric (de obicei cupru) care este alimentat de un vas sau vas pentru stocarea apei reci, de obicei în spațiul acoperișului clădirii. Aceasta produce o alimentare destul de regulată de apă caldă menajeră (ACM) la presiune statică scăzută, dar, în general, cu un debit bun. În majoritatea celorlalte părți ale lumii, încălzitoarele de apă nu folosesc un vas sau rezervor de stocare a apei reci, ci încălzesc apa la presiuni apropiate de cele care intră în rețeaua de alimentare cu apă.

Îmbunătățiri suplimentare

Alte îmbunătățiri ale încălzitoarelor de apă includ supapele de reținere la intrare și ieșire, temporizatoare, aprindere electronică în cazul modelelor cu combustibil, sisteme de admisie. Tipurile de sisteme de admisie a aerului sigilate ( admisie de aer sigilată , bandă-grindă în engleză). Unitățile de condensare „de înaltă eficiență” pot converti până la 98% din energia din combustibil în apă de încălzire. Gazele de eșapament de ardere sunt răcite și sunt ventilate mecanic fie prin acoperiș, fie printr-un perete exterior. Pentru eficiența ridicată a arderii, trebuie prevăzut un canal de scurgere pentru a trata apa condensată din produsele de ardere, care sunt în principal dioxid de carbon și vapori de apă.

În instalațiile sanitare tradiționale din Marea Britanie, cazanul de încălzire este configurat pentru a încălzi un cilindru separat de apă caldă sau un încălzitor de apă pentru apă caldă menajeră. Astfel de încălzitoare de apă sunt adesea echipate cu un încălzitor electric cu imersiune auxiliară pentru a fi utilizat dacă cazanul este inactiv pentru o perioadă de timp. Căldura de la cazanul de încălzire este transferată în rezervorul / vasul încălzitorului de apă prin intermediul unui schimbător de căldură, iar cazanul funcționează la o temperatură mai mare decât cea a apei calde menajere. Majoritatea încălzitoarelor de apă din America de Nord sunt complet separate de încălzitoarele de spațiu, datorită popularității sistemelor HVAC / aer forțat din America de Nord.

Încălzitoarele de apă rezidențiale fabricate din 2003 în Statele Unite au fost reproiectate pentru a rezista la aprinderea vaporilor inflamabili și pentru a încorpora un întrerupător termic, în conformitate cu ANSI Z21.10.1. Prima caracteristică are ca scop prevenirea aprinderii vaporilor de lichide și gaze inflamabile în apropierea încălzitorului și astfel poate provoca un incendiu sau o explozie în casă. A doua caracteristică previne supraîncălzirea rezervorului din cauza condițiilor neobișnuite de ardere. Aceste cerințe de siguranță au fost impuse proprietarilor de case care au depozitat sau vărsat benzină sau alte lichide inflamabile în apropierea încălzitoarelor de apă și au provocat incendii. Deoarece majoritatea modelelor noi încorporează un anumit tip de antifoc, acestea ar trebui monitorizate pentru a se asigura că nu sunt înfundate cu praf sau scame, ceea ce reduce disponibilitatea aerului pentru combustie. Dacă opritorul de flacără se înfundă, întreruperea termică poate cauza oprirea încălzirii.

Un aragaz pe spate (NZ - încălzitor pe spate, sau UK - cazan în spate), este un simplu încălzitor de apă secundar menajer care folosește căldură accidentală. De obicei, constă dintr-o conductă de apă fierbinte care stă în spatele unui șemineu sau sobă (mai degrabă decât un rezervor de apă caldă) și nu limitează încălzirea. Spatele modern poate ajuta furtunul într-un design mai sofisticat pentru a facilita schimbul de căldură. Aceste proiecte sunt eliminate treptat de reglementările guvernamentale privind eficiența energetică, care nu consideră că energia utilizată pentru încălzirea apei este „eficientă”.

Istorie

Deși nu este foarte popular în America de Nord, un alt tip de încălzitor de apă dezvoltat în Europa a precedat modelul de stocare. În Londra, Anglia, în 1868, un pictor pe nume Benjamin Waddy Maughan a inventat primul încălzitor instantaneu de apă menajer care nu folosea combustibil solid. Denumit gheizerul după un izvor termal islandez care țâșnește, invenția lui Maughan a făcut să curgă apă rece în partea superioară prin conducte care erau încălzite de gaze fierbinți de la un arzător din partea inferioară. Apa caldă curgea apoi într-o chiuvetă sau cadă. Invenția a fost oarecum periculoasă, deoarece nu exista un canal care să evacueze gazele încălzite din baie. Un încălzitor de apă este încă uneori numit gheizer în Marea Britanie.

Invenția lui Maughn a influențat munca unui inginer mecanic norvegian numit Edwin Ruud. Primul rezervor de stocare a apei cu gaz a fost inventat în jurul anului 1889 de Ruud după imigrarea sa în Pittsburgh, Pennsylvania (Statele Unite). Compania de fabricație Ruud, care există și astăzi, a făcut multe progrese în proiectarea și funcționarea încălzitoarelor de apă fără rezervor și de tip rezervor.

Termodinamică și economie

În S.U.A

Apa pătrunde de obicei în casele din Statele Unite la aproximativ 10  ° C ( 50  ° F ), în funcție de latitudine și anotimp. Temperaturile apei calde de 50  ° C ( 50  ° C ) sunt tipice pentru spălarea veselelor, rufelor și dușului, ceea ce necesită încălzirea apei la aproximativ 40  ° C ( 72  ° F). ) Dacă apa fierbinte este amestecată cu apă rece în acest punct util. Codul uniform de instalații sanitare face referire la debitul dușului la 9,5  L (2,5 galoane SUA ) pe minut. Utilizările pentru chiuvetă și mașină de spălat vase variază de la 1 la 3 galoane SUA ( 4 până la 11  L ) pe minut.

Gazul natural din Statele Unite este măsurat în CCF ( centum cubic feet ), care este transformat într-o unitate standardizată de energie numită thermie , care este echivalentă cu 100.000  de unități termice britanice (BTU). Un BTU este energia necesară pentru a ridica un kilogram de apă cu un grad Fahrenheit. Un american galon de apă are o greutate de 8,3  livre (3,8  kg ). Pentru a ridica 60 de galoane de apă de la 10  ° C ( 50  ° F ) la 50  ° C ( 122  ° F ), aveți nevoie de {{{1}}} sau aproximativ 0,359 CCF ( 35856 ⁄ 100.000 ), la 88% d ' eficacitate . Un încălzitor de 157.000  BTU / oră (de exemplu într-un încălzitor de apă fără rezervor) ar dura 15,6 minute pentru a face acest lucru, cu o eficiență de 88%. La 1  dolar pe term, costul gazului ar fi de aproximativ 41 de cenți USD.

În comparație, un încălzitor electric tipic de apă cu un rezervor de 60 galoane are o putere de 4.500 wați (15.355  BTU / oră ), ceea ce la o eficiență de 100% are ca rezultat un timp de încălzire de aproximativ 2,34 ore. La 16  cenți / kWh , electricitatea ar costa 1,68  dolari .

Eficiența energetică a încălzitoarelor de apă rezidențiale poate varia foarte mult, în special în funcție de producător și model. Cu toate acestea, încălzitoarele electrice tind să fie puțin mai eficiente (fără a lua în considerare pierderile de instalații și rețele), cu o eficiență de recuperare de aproximativ 98%. Încălzitoarele pe gaz au o eficiență maximă de recuperare de numai 82-94% (restul este irosit cu produsele de ardere). De Factorii de energie totală poate atinge valori reduse 80% pentru sistemele electrice și de 50% pentru sistemele de gaz. Încălzitoarele de apă cu gaz natural și propan cu un factor de energie de 62% sau mai mult, precum și încălzitoarele de apă cu rezervor electric cu factori de energie de 93% sau mai mult, sunt considerate aparate cu randament ridicat. Încălzitoarele de apă cu gaz natural și propan calificate Energy Star (septembrie 2010) au un factor de energie de 67% sau mai mult, obținut în mod obișnuit prin utilizarea unui pilot intermitent în combinație cu un amortizor automat de ardere, deflectoare sau un sistem de aerisire. Încălzitoarele de apă din rezervorul cu rezistență electrică directă nu sunt incluse în programul Energy Star, cu toate acestea, programul Energy Star include pompe de căldură electrice cu factori de energie de 200% sau mai mult. Încălzitoarele de apă instantanee pe gaz (din 2015) trebuie să aibă un factor energetic de 90% sau mai mult pentru a fi calificate Energy Star. Deoarece generarea de energie în centralele termice are o eficiență cuprinsă între 15% și 55% (turbină cu gaz cu ciclu combinat), cu aproximativ 40% pentru centralele termice, încălzirea electrică cu rezistență directă poate fi cea mai eficientă opțiune energetică. Cu toate acestea, folosirea unei pompe de căldură poate face încălzitoarele electrice de apă mult mai eficiente din punct de vedere energetic și poate duce la scăderea emisiilor de dioxid de carbon , mai ales dacă se utilizează o sursă de energie electrică redusă .

Din păcate, este nevoie de multă energie pentru a încălzi apa, așa cum se poate experimenta în timp ce așteptați să fierbeți un galon de apă pe o sobă. Din acest motiv, încălzitoarele de apă fără rezervor necesită o putere mare. Prin comparație, o priză de perete de 120 V, de 15 amp, produce doar suficientă energie pentru a încălzi o cantitate dezamăgitoare de apă: aproximativ 0,17 litri SUA ( 0,64  L ) pe minut pentru o creștere a temperaturii de 40  ° C ( 72  ° F ).