Про обогреватели. Часть 1⁠⁠

Давненько не делал техпросветных лонгридов. Долго готовил, аж лето наступило. Но как говорится, готовь сани летом! Разберемся с бытовыми обогревателями без маркетинговой чепухи и наркоманских бредней копирайтеров. Осторожно, будут встречаться графики и формулы! Это я делаю бессмысленные действия на картинке для привлечения внимания:

Для Лиги Лени основные тезисы:

• У всех обогревателей 100% КПД, всё электричество превращается в тепло. Поэтому «энергосберегающий обогреватель» — оксюморон.

• Если топитесь электричеством, то затраты зависят только от теплопотерь помещения. Волшебного обогревателя, который вам будет экономить 10-20-30%, не существует в природе.

• Холодный зимний воздух при нагревании становится сухим — это чистая физика. Обогреватель на этот процесс не влияет. Если вам говорят: «Обогреватель не сушит воздух», — вам лгут, возможно, намеренно.

• Голова будет болеть с любым обогревателем, если не проветривать помещение.

• Пластиковые корпуса обогревателей — зло. А ещё он должен отключаться при падении на бок и перегреве.

• Идеального обогревателя не существует — их много разных, так как нет баланса между габаритами, ценой, скоростью нагрева.

Для тех, кто любит слушать - видеоверсия:

Такие разные, но такие одинаковые

Все обогреватели на полке магазинов имеют 100% КПД — всё электричество из розетки они превращают в тепло в помещении. Часть этого тепла передается конвективно (греет воздух), а оставшаяся часть — излучением (греют окружающие предметы). Инженеры, меняя конструкцию, лишь могут менять соотношение этих частей в зависимости от назначения обогревателя, но суммарно тепла выделится ровно столько, сколько было потреблено из сети. (исключение - тепловые насосы)

Второе отличие обогревателей вытекает из первого: разные нагревательные элементы в обогревателях — лишь поиск баланса между ценой, долговечностью и размерами. Где-то покупателю нужен дешевый обогреватель на сезон в бытовку, а кто-то готов раскошелиться на огромный дизайнерский радиатор, который должен работать много лет. Фундаментально важна лишь мощность обогревателя: если она больше величины теплопотерь помещения — вы не замёрзнете.

Понятное дело, это звучит слишком просто — так мы привезённое барахло из Китая не продадим. Поэтому призывают бессовестных маркетологов, и они начинают разные виды обогревателей обмазывать рекламными бреднями. Так появляются «эффекты русской печи», «прибор не сушит воздух», «инновационный инверторный конвектор», «умный энергосберегающий термостат» и прочие мифические явления. Нельзя же написать в рекламе «это самый дешёвый конвектор из минимально приемлемой по толщине жести, но будет жарить на 2 кВт» и «масляный радиатор, будет жарить на те же 2 кВт, но из-за того, что он большой и тяжёлый, не будет горячим и вонять жженой пылью»

Важно просто запомнить — если вы в сезоне обогреваетесь электричеством, то величина счёта от энергосбыта зависит только от теплопотерь самого помещения через стены, окна, двери, вентиляцию и т. д. Нет такого супер инновационного обогревателя, купив который, вы бы стали тратить на 10-20-30% меньше энергии на отопление при постоянном проживании. Закон сохранения энергии не нарушается.

Но разница между разными типами обогревателей есть в динамике — они по-разному выходят на рабочий режим и они по-разному создают ощущение комфорта. Так, в холодной бытовке тепловентилятор нагреет воздух до комфортной температуры, чтобы можно было переодеться, за 10 минут, а масляный радиатор сделает то же самое уже за пару часов, затратив больше энергии — просто потому, что на это уйдёт больше времени. Правда и остывать, обогревая бытовку, он будет дольше. В главе «энергосбережение» разберёмся, как можно экономить, если вы топитесь электричеством. И посмотрим на исключение с КПД более 100%.

Почему ВСЕ обогреватели сушат воздух

В воздухе растворяется влага. С ростом температуры количество влаги, которое может в воздухе раствориться, значительно возрастает. Количество растворённой в воздухе влаги можно выразить в граммах воды на кубометр воздуха, но пользуются более удобным понятием относительной влажности. За 0% принимают абсолютно сухой воздух, а за 100% относительной влажности — воздух, в котором максимально возможное количество влаги. В такой воздух влагу не добавить — она сконденсируется, в таком воздухе даже мокрая тряпка не высохнет. Почти всегда, когда говорят о влажности воздуха, имеют ввиду ОТНОСИТЕЛЬНУЮ влажность воздуха, поскольку именно она влияет на комфорт. Абсолютная влажность воздуха, в г/м3 при изменении температуры, понятное дело, не меняется.

Наглядно это видно на графике, именуемом «психрометрическая диаграмма». Из неё видно, что если взять зимний уличный воздух температурой -15С и относительной влажностью 80%, то когда мы нагреем его до комнатных +20С, его относительная влажность станет всего 6,6%. Это сухой воздух — от него сушит слизистые. Комфортной для человека считается относительная влажность 30-60%. Влажность свыше 70% тоже плоха — есть риск, что в помещении заведётся плесень.

График работает и в обратную сторону — тёплый влажный воздух при охлаждении не может держать в себе воду, и она конденсируется. Так, воздух температурой +20С и относительной влажности 50% содержит 9 грамм воды на кубометр. Если его охладить до уличных -15С, он сможет удержать в себе со 100% относительной влажностью всего 2 грамма воды на кубометр. Оставшиеся 7 грамм воды выпадут в виде конденсата. Поэтому при строительстве домов внимательно рассчитывают теплоизоляцию. Если где-то появится холодная поверхность на пути тёплого воздуха из помещения (в котором мы надышали влаги), начнётся конденсация и в этом сыром месте заведется плесень.

Надеюсь теперь очевидно, абсолютно все обогреватели "сушат" воздух — просто потому, что холодный воздух при нагревании становится суше, в относительном выражении. Этот физический эффект побороть нельзя. Он не зависит от типа обогревателя, каких бы бредней ни писали маркетологи. Сделать воздух снова комфортно влажным можно только принудительным увлажнением. (Когда-нибудь я и про увлажнители напишу)

Измерить относительную влажность воздуха в помещении можно электронным прибором — гигрометром (самые дешевые китайские частенько привирают), либо по старинке — психрометрическим способом. Берут два термометра: один сухой, у второго кончик завернут во влажную ткань. Чем суше воздух, тем сильнее испаряется влага, охлаждая термометр. Смотрят разницу в показаниях и находят влажность по табличке.

Про «сжигание кислорода» и почему болит голова

Распространённая байка, что якобы некоторые обогреватели «сжигают» кислород. Так и хочется спросить — а что с кислородом-то реагирует? Действительно, если стальную проволочку накалить докрасна, она «сожжет» некоторое количество кислорода — железо просто окислится и превратится в окалину. При этом сама проволочка будет истончаться довольно быстро, и такой «сжигающий» кислород обогреватель сам сгорит довольно быстро.

Причиной этого мифа, по-видимому, является то, что от некоторых обогревателей действительно может болеть голова. А причин для этого две:

1. Обогрев, как и охлаждение помещения, не заменяет его проветривания. Человеку необходимо около 30-60 куб.м. воздуха в час. Если углекислый газ, выдыхаемый человеком, копится, то это ухудшает самочувствие, работоспособность.

Если концентрация углекислого газа поднимется более 1000 PPM (Parts Per Million — частей на миллион. т.е. 1000 PPM = 0.1%), будет головная боль. В атмосферном воздухе углекислого газа около 300-450 PPM. Поэтому если забаррикадироваться в помещении, старательно заклеить лентой каждую щель в окне, «от которой сквозняки», надышать углекислого газа, то голова заболит, но виноват в этом не отопительный прибор, а плохая вентиляция.

2. Второй причиной головной боли является… пыль, которая действительно может сгорать. Если в отопительном приборе нагреватель очень горяч (например ИК-лампа или голая нихромовая спираль), то пыль при контакте с нагретой поверхностью может сгорать с выделением всяких неприятных веществ. Особенно этим «грешат» тепловентиляторы, засасывая воздух у пола вместе с летающей там пылью и загоняя на горячую нихромовую спираль. Если вы остро ощущаете этот эффект, как и запах при включении обогревателя, то решением может быть только использование большого и тёплого обогревателя вместо маленького и горячего, температура поверхности нагревателя которого не превышает сотни градусов — например, масляный радиатор.

От общего перейдём к частному, к конкретным конструкциям обогревателей. Я нарисовал вот такую картинку в попытке систематизации:

Конвекторы

Самые технически простые отопительные приборы. Внутри корпуса на теплостойком изоляторе закреплена нихромовая (иногда фехралевая) проволока, собранная гармошкой/спиральной. Электрическим током она нагревается и отдаёт тепло воздуху. Нагретый воздух устремляется вверх, на его место снизу поступает холодный, и таким образом создается конвекция, что и дало название прибору. Чтобы никто пальчики в нагретую проволоку не засунул, вокруг делают защитный кожух с отверстиями для воздуха.

Прибор простой, дешёвый и бесшумный. Но обладает целым рядом недостатков:

1. Площадь нагретой проволочки очень мала, даже если ее прокатать в ленту. А значит, для обеспечения заданной мощности нагрева (количества джоулей тепла, которое будет отдано воздуху в помещении за секунду) температура нихромовой проволоки должна быть очень высока. А это значит, что при контакте с нагретой поверхностью нихрома будет сгорать пыль! Привет посторонним запахам при работе, особенно после долгого простоя.

2. Проволока находится под напряжением, и единственное, что защищает человека от удара электрическим током, — заземлённый жестяной корпус.

3. Из-за кожуха работает строго вертикально. Если сверху на корпус положить варежки или сам корпус положить на бок, конвективное прохождение воздуха нарушается и прибор перегревается — начнет срабатывать термозащита, если предусмотрена производителем.

Такие примитивные приборы надо как-то продавать, поэтому на языке рекламщиков такие конвекторы называются X-stich, «игольчатым нагревателем», если нихром сформован «елочкой».

В разрезе прибор выглядит так:

Попыткой избавиться от части недостатков стали модели конвекторов с ТЭНом. Напомню,
ТЭН — это Трубчатый Электро Нагреватель: нихромовая спиралька помещается в стальную трубку, а зазор заполняется например песком. Такой нагреватель совершеннее и долговечнее — трубка защищает нихром от контакта с воздухом, а песок служит электроизолятором и проводником тепла, распределяя тепло по поверхности защитной трубки. Поверхность ТЭНа не имеет электрического контакта с нагревателем и её можно заземлять.

Чтобы хоть как-то увеличить площадь поверхности нагревателя и тем самым снизить рабочую температуру, на ТЭН закрепляют алюминиевые рёбрышки. Форма этих рёбрышек (Х-образная, с закруглением, волнистые и т.д.) — повод выпятить её в рекламе, преподнеся как некоторое конкурентное преимущество, скрывая истинную причину таких экспериментов — попытка снизить металлоёмкость, сохраняя приемлемую величину теплосъёма. Недостаток у ТЭНов с оребрением один — чем больше разнородных деталей нагреваются вместе, тем больше разных шумов, скрежетов, пощелкиваний будет из-за тепловой деформации.

Чтобы избавиться от пары сталь-алюминий, некоторые производители стали выпускать «монолитный» нагревательный элемент — по сути экструдированный или литой профиль с оребрением, в котором есть полость под нагреватель. ТЭН становится частью конструкции — оболочкой служит не стальная трубка, а алюминиевая стенка детали с ребрами. Такой элемент при нагреве почти не издаёт звуков, так как в нем нет большого числа жёстко скреплённых деталей с разным температурным коэффициентом расширения, что создаёт при нагреве внутренние напряжения и посторонние звуки.

Хороший конвектор (да и вообще любой обогреватель), помимо выключателя и аварийной термозащиты, имеет датчик положения — он отключает прибор при падении на бок, а также термостат, отключающий нагрев при достижении целевой температуры в помещении (но об этом мы ещё поговорим).

уф, пикабу не хабр, придется делить пост на части, иначе снова упрусь в лимит. Не беспокойтесь, все части уже написаны. Ускорить написание других материалов можно поддержав автора добрым словом или донатом. Особо нетерпеливые могут найти статью в блоге RuVDS на хабрахабре, где я опубликовал ее неделю назад. Ну и телеграмм канал сами найдете в профиле.