Про обогреватели. Часть 3⁠⁠

Продолжаем серию постов про бытовые обогреватели. (Часть 1 часть 2) Начнем разговор с пожарной безопасности.

В большом количестве пожаров, к сожалению, замешаны обогреватели. Где-то они своим теплом поджигают окружающие предметы, а где-то проводка не выдерживает и предметы загораются уже от неё. Поэтому, чтобы не сгореть в пожаре:

1. Не включаем обогреватели в удлинители, переноски, тройники и прочие потенциально опасные электроизделия. Идеально — включать обогреватель в отдельную розетку, до которой идёт честный медный кабель сечением 2,5 мм², защищённый автоматом B16. С удлинителями в магазинах беда полная, что даже пришлось писать отдельный пост, мне попадались даже изготовленные из алюминия, крашенного под медь.

2. Вокруг электроприбора должна быть зона безопасности в метра полтора, в которой не должно быть горючих предметов — одежды, штор, диванов и т.д. Представим самый плохой из возможных сценариев — электрообогреватель ломается с пиротехническими эффектами. Из-за плохого контакта где-то внутри корпуса греется и в конце концов отваливается клемма, падая на соседний проводник, устраивая короткое замыкание. При этом автоматический выключатель неисправен или подобран неправильно, а ток короткого замыкания мал. В таком случае питающий кабель начнёт разогреваться, изоляция начнёт стекать и гореть, пока цепь не оборвётся. И если вокруг не было горючих предметов, то мы увидим только чёрные следы на полу.

3. Из второго пункта очевидным следует, откуда моя любовь к приборам в МЕТАЛЛИЧЕСКИХ корпусах. Да, они некрасивые и неказистые, но при аварийной ситуации они способны локализовать внутри себя раскалённые докрасна куски, бывшие контактами или элементами конструкции. Приборы с пластиковыми корпусами полностью полагаются на надёжность встроенных термопредохранителей.

4. Если электропроводка старая или её делали не вы, то перед использованием электрообогревателей её необходимо проверить, позвав грамотного электрика. Особенно опасны в этом плане дачные домики — там часто делалось «из того что было» и людьми с наплевательским отношением к безопасности. Если включение мощного электрообогревателя закончится отгоревшей скруткой где-то в деревянной стене, то считайте легко отделаетесь.

5. Отопительный прибор должен иметь защиту от опрокидывания. К сожалению, в самых дешёвых моделях такой защиты нет. Если кошка (даже не ваша, а случайно пробравшаяся) уронит прибор на бок, он отключится и не будет перегревать напольное покрытие.

6. Нежелательно использовать приборы, не способные длительное время рассеивать свою полную мощность (этим грешат масляные радиаторы). Если по какой-то причине контакты термостата слипнутся, а такое редко, но встречается, то прибор будет работать на всю мощность все время, пока его не выключат. И если обогреватель неудачной конструкции, а тем более немного запылён, то он может начать перегреваться: пластиковый корпус начнёт плавиться, масло вскипать, раздувая корпус, и так далее.

Про термостаты

Часто электрообогреватели имеют терморегулятор — термостат. Из названия ясно, что его задача поддерживать температуру в помещении, подключая обогреватель, когда температура падает ниже заданной. Самый простой термостат — механический, с биметаллической пластинкой-контактом. Вот такой:

Такие термостаты широко используются в технике — их можно увидеть, например, в утюгах: именно они время от времени громко щёлкают. Именно из-за их широкого применения они массовые и дешёвые.

Основные минусы:

1. Контакты искрят и могут иногда отгорать, или наоборот свариваться намертво.

2. Термостат совмещён с чувствительным элементом, поэтому регулирует температуру себя, находясь внутри обогревателя. То есть в помещении может быть, к примеру, от +16 до +25, зато внутри обогревателя будут стабильные +30.

3. Реализуется примитивный закон управления — температура упала ниже заданного значения — включаем обогреватель. Температура стала выше заданного значения (+гистерезис) — отключаем. В итоге температура циклически колеблется около заданного значения. Если тепловая инерция велика, то даже после отключения термостата температура продолжит расти некоторое время, превысив целевую.

Как же побороть эти недостатки? Хороший электронный термостат должен иметь:

1. Твердотельное управление — нагрузку включает и выключает симистор, а не электромагнитное реле. В чём толк заменять механический термостат на электронный, если в последнем всё те же искрящие и сваривающиеся контакты, но только внутри реле? (часто — малогабаритном). Различить их можно по звуку — симистор работает бесшумно, а реле щёлкает при работе.

2. Возможность подключить выносной термодатчик. Выносной термодатчик позволит регулировать температуру, например, чётко у дивана, хотя конвекторы могут быть размещены на дальней стене. Пример выносного датчика — термостаты для теплого пола. Датчик размещается непосредственно в полу, а термостат — где-то на стене в удобном месте.

3. Реализовать ПИД-регулирование. (ПИД — Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный, термин из теории автоматического управления). Если не вдаваться в математику, только такой алгоритм работы регулятора позволяет поддерживать заданную температуру без ошибки, не шатаясь около целевых значений.

То, что термостат электронный, не означает, что эти функции в нём реализованы. Иронично получить электронный термостат, который выполняет строго те же функции, что и электромеханический, но при этом дороже и менее надёжно.

В рекламных обзорах часто манипулятивно указывается, что преимущество электронного термостата — точность, ведь он позволяет на табло указать целевую температуру до десятых долей градуса. Стоит помнить, что точность и разрешающая способность — вещи разные, а об алгоритме работы, непосредственно влияющей на точность удержания температуры, реклама не говорит. В итоге большинство встроенных в приборы дорогих электронных термостатов с экранчиком, Wi-Fi и т.п. — по факту барахло с реле, которые поддерживают температуру с большой погрешностью, что приводит к повышенным энергопотерям в моменты перерегулирования. Более того, задача обогревателя — создать комфортную температуру. Точно так же, как и у смесителя в ванной: мы убавляем температуру, если горячо, и добавляем — если холодно, пока не найдём комфортное значение. Нам не важно, это 21,15 °C или 22,5 °C, — важно, чтобы выбранная температура поддерживалась стабильно, а не то, какую цифру показывает экран термостата или риска на крутилке.

Поэтому скептически относитесь к «инновационному энергосберегающему цифровому термостату с выходом в интернет за +100500 денег», вы всегда можете включить ЛЮБОЙ электрический обогреватель через внешний термостат и настроить его как заблагорассудится.

▍ «Инверторные» обогреватели

Не могу умолчать об очередном шедевре маркетологов — «Инверторные конвекторы».

Есть «инверторы» — приборы, преобразующие переменный ток в постоянный, с изменением напряжения. Инверторами также называют приборы для получения переменного тока из постоянного, тоже частенько с изменением напряжения. (Сам термин «инвертор» — это калька с англоязычного термина, и я как инженер каждый раз вздрагиваю от его применения, поскольку он строго не определён и может означать в голове говорящего что угодно). Инверторные сварочные аппараты все видели — маленькие и мощные, по сравнению с классическими большими и тяжелыми трансформаторными.

И вот, на обычный конвектор добавляют электронный блок управления с подписью «инверторный», накидывают пару тыс. руб к цене и начинают рассказывать, что этот обогреватель позволяет экономить до 70% электроэнергии просто потому что он умеет регулировать свою мощность.

Проблема в том, что производитель не раскрывает алгоритм работы регулятора (компаратор с гистерезисом или полноценный ПИД?), который напрямую влияет на точность и качество работы. Единственное, что раскрывается в рекламе, что прибор может регулировать свою мощность.

Ирония в том, что начинка инверторных и неинверторных моделей конвекторов идентична. Мощность нагревателя регулируется путем широтно-импульсной модуляции с большим периодом. Если каждые 10 сек включать обогреватель только на 2 сек, это эквивалентно тому, как если бы он все время работал на 20%. Это не какая-то сверхсложная технология, любой промышленный ПИД терморегулятор это умеет.

Более того, любой обогреватель можно сделать «инверторным», просто использовав внешний промышленный терморегулятор, например мегапопулярный REX-C100.

Общие заметки по энергосбережению

Всем хочется экономить, и отопление не исключение. Обогреватели имеют 100% КПД преобразования электричества в тепло — оно всё останется внутри помещения. Поэтому нет разницы, каким обогревателем вы пользуетесь, если им пользуетесь как основным источником тепла в зимний период. Счета за электроэнергию зависят только от величины тепловых потерь помещения через стены, пол, потолок, окна и вентиляцию. Поэтому когда я слышу про «энергосберегающий обогреватель» у меня дёргается глаз — это такой же оксюморон как «сухая вода» или «безалкогольная водка». Как же мы можем повлиять на расход электроэнергии при постоянном отоплении?

1. Мы можем экономить, уменьшив температуру в помещении, так как тепловой поток через стены зависит от разницы температур внутри и снаружи. Подкрутив термостат в помещении с +25 °C до +21 °C при наружной температуре –20 °C, можно сэкономить порядка 9 %. Или, например, мастерскую можно прогревать только до +15 °C, если работа в ней предполагает энергичное движение. Также влияет неравномерность распределения теплого воздуха. Если потолок высокий, то для комфорта человек выкрутит на термостате +23С, а под потолком скопится горячий воздух на все +40 усиленно теряя тепло через потолок.

2. Использовать умный термостат с таймером: снижать температуру в помещении, например, до +16 °C, пока все на работе, а затем прогревать его обратно за час до возвращения домой. Или, например, понижать температуру в других комнатах, пока все спят в спальне. В те моменты, когда температура снижена, теплопотери через стены тоже уменьшаются.

3. Использовать ПИД-термостат, минимизируя ошибку и перерегулирование. Простейшие термостаты с биметаллической пластинкой из-за гистерезиса будут поддерживать температуру около заданной. Проще пояснить картинкой:

1. В моменты, когда температура выше целевой, потери тепла тоже повышены. Обычно к этому эффекту подводят торговцы «инверторных» конвекторов и разных «умных» термостатов, хотя я не видел ни одного расчета, подтверждающего, что экономия тепла будет значительной, чтобы окупить более дорогое оборудование.

2. Можно уменьшить теплопотери через вентиляцию. Помните, как заклеивали щели в деревянных рамах, чтобы стало теплее?) С современными пластиковыми стеклопакетами — другая крайность: герметичное помещение, в котором надышали, напукали — повысилась влажность, увеличилось содержание углекислого газа, заболела голова и выпал конденсат по углам. От потребности в 30 куб.м. воздуха с улицы на человека в час нам никуда не деться. Если на улице –20 °C, а в помещении +21 °C, то только на нагрев этих 30 кубометров воздуха нужно тратить порядка 450 ватт. И это на одного человека!
   
   Решение — использовать рекуператоры тепла для вентиляции. Это устройство, которое забирает тепло из воздуха, выбрасываемого из помещения на улицу, и нагревает им воздух, забираемый в помещение с улицы.

3. Нагревать не всё помещение, а только необходимое для комфорта. Если попытаться прогреть склад конвекторами, то на полу всё ещё будет холодно, а под потолком будет тропическая жара с большими тепловыми потерями через потолок, так как большая разница температур. В таком случае может быть выгодно подвесить ИК-излучатель и направить его на рабочий стол кладовщика, а остальной склад греть минимально.

4. Использовать отопительный прибор с подходящей динамикой. Например, в бытовке-раздевалке выгоднее быстро прогреть тепловентилятором воздух непосредственно перед посещением человека на 10 минут, чем использовать масляный обогреватель, который вынужден работать круглосуточно, потому что сам разогревается полчаса, а помещение до *комфортного* состояния протапливает вообще только часа за 4.

Про тепловые насосы.

Этот раздел я не хотел писать, но пикабушники в комментариях часто спрашивали, и упоминания в видео похоже недостаточно. Тепловой насос, это прибор, который использует электроэнергию, для перекачки тепла, часто против воли богов, от холодного тела к горячему. Тепловой насос есть у вас на кухне, холодильник перекачивает тепло из своего внутреннего объема на радиатор у задней стенки. Если разместить теплообменники внутри и снаружи здания, то можно охладить улицу еще сильнее, перекачав тепло в помещение. Тогда КПД станет более 100%, и это единственное исключение! К 1 киловатту тепла, полученного из электричества, может добавиться 2 и более киловатта тепла "перекачанного" с улицы.

Примером такого теплового насоса служит кондиционер, который имеет соответствующий клапан, позволяющий ему менять местами роли теплообменников. Некоторые вполне успешно отапливаются зимой кондиционером, как бы странно это не звучало. Но есть нюансы, про которые важно знать:

1. Самое важное - эффективность теплового насоса зависит от температуры. В дикие морозы, когда тепло нужнее всего, эффективность теплового насоса более низкая. Свои маркетинговые цифры он выдаст в межсезонье.

2. У теплового насоса есть свой срок службы, у электроэнергии есть цена, у дома есть теплопотери, и есть статистические данные о погоде в вашей местности. А значит НУЖНО АККУРАТНО СЧИТАТЬ! Не во всех регионах нашей страны отопление тепловыми насосами окупится.

3. Если наружный теплообменник забирает тепло у наружного воздуха, то он будет обмерзать и покрываться ледяной шубой, затрудняющей теплообмен. Поэтому автоматика будет регулярно включать обогрев наружного блока для оттайки, а значит не стоит надеяться, что тепловой насос будет работать 100% времени.

4. Тепло можно забирать не только от наружного воздуха, но и из грунта. Для этого на заднем дворе закапывают в грунте много-много труб, которые будут работать теплообменником. Даже в сильные морозы температура грунта стабильная и оптимальная для работы теплового насоса, поэтому для геотермальных тепловых насосов не актуально снижение эффективности в холодную погоду. Но стоимость всех работ по установке весьма солидна, поэтому см п.2

Впрочем на пикабу тепма тепловых насосов поднималась многократно:

Тепловой насос. Личный опыт. Часть 2

Тепловой Насос: купил, поставил, запустил

О тепловом насосе замолвите слово...

Про тепловой насос

Поэтому резюмирую, штука классная, интересная, но без рассчетов не сказать, окупится ли.

Как выбирать обогреватель

Хочется перефразировать меткое высказывание Виталия с канала «Будни сантехника»: Нет правильного или неправильного отопительного прибора, есть подходящие. Прибор стоит выбирать под задачу с учётом всех ограничений, в том числе и экономических.

Мои личные рекомендации таковы:

1. Лучше угловатый металлический корпус, чем красивый пластиковый. При нештатной ситуации стальной корпус выступит барьером, а пластиковый стечёт.

2. ТЭН всегда лучше голой нихромовой спирали. А массивное нагретое тело лучше голого ТЭНа. Вообще если нет ограничений по цене и весу — я бы избегал приборов с открытой нихромовой спиралью.

3. Чаще лучше большой и теплый обогреватель, чем маленький и горячий.

4. Универсальное правило выбора техники им. Бориса Бритвы актуально — при прочих равных, чем тяжелее — тем лучше. Просто так массу прибора не уменьшить, а снижение материалоемкости всегда приводит к компромиссам.

5. Не гонитесь за электронными термостатами. И вообще чем меньше «мозгов» в приборе, тем лучше. Электронные термостаты стоит выбирать только когда без него никак, например, работа по таймеру. И не стоит забывать, что термостат можно всегда купить отдельно и включить прибор через него.

6. Если выбираете обогреватель с инфракрасной лампой — посмотрите, есть ли она в виде запчасти, и сколько она стоит.

7. НЕ ВЕРЬТЕ производителям, торговцам, когда они говорят, что именно их обогреватель экономит электроэнергию.

Автор не занимается продажами бытовой техники и не аффилирован ни с одним производителем бытовой техники. Поэтому бесполезно просить совета по поводу конкретной модели обогревателя. Я не в курсе ассортимента на полках, и по фото не могу сказать хорош обогреватель или нет, мне нужно посмотреть, что под кожухом.