1. Реалии электроснабжения Начнем с того, что подавляющее большинство импортных однофазных «проточников» предназначены для электросетей европейского стандарта с напряжением 230 В ±6 %, для этого же стандарта и указана их мощность. Российский стандарт бытового электропитания подразумевает действующее значение напряжения 220 В ±10 %. То есть, по нормам напряжение имеет право падать до 198 В. На деле же в отдельных районах иногда наблюдается снижение напряжения до 160–170 В (чаще всего в вечернее время при существенном превышении мощности установленной в доме бытовой электротехники, по сравнению с тем, на что рассчитаны внутридомовые сети). Ввиду этого, мощность импортного проточного водонагревателя, эксплуатируемого в российских условиях, будет заведомо ниже заявленной изготовителем. В результате, естественно, снизятся и возможности проточника по нагреву воды. Поскольку полную мощность прибора можно рассчитать по формуле1:P = [U2cos(ϕ)]/R, (1.1)где P — мощность, Вт; U — напряжение, В; R — сопротивление, Ом; cos(ϕ) — коэффициент мощности (комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения, вносимые нагрузкой в электросеть). Значение cos(ϕ) равно отношению потребляемой электроприемником активной мощности (которая расходуется на совершение полезной работы) к полной мощности и может колебаться от 1 до 0. Для простоты расчетов допустим, что потерь электроэнергии в электрической сети нет и cos(ϕ) = 1, а сопротивление нагревательного элемента неизмен но, величина мощности прямо пропорциональная квадрату напряжения в электросети:P1 = [U12P]/U12, (1.2)где P1 и U1 — значения мощности [Вт] и напряжения [В] в квартире, где предполагается установить «проточник», а P и U — мощность [Вт] и напряжение [В], указанные в документации производителя. В табл. 1 указаны значения мощности при пониженном по сравнению с европейским стандартом напряжении. Если выбранный проточный водонагреватель — электронный, пониженное напряжение, как и его перепады, сокращает ресурс работы находящихся в приборе блоков питания, т.к. в таком режиме они работают с перегрузкой. К нестабильному напряжению также весьма чувствительна вся электронная начинка «проточника» — начинает неправильно интерпретировать показания датчиков, теряет введенные в память данные, при сильных скачках сгорает. Если же «проточник» гидравлический, пониженное напряжение и его перепады ему не страшны. Для предотвращения описанных проблем достаточно установить стабилизатор напряжения сети — аппарат, который включается между «скачущей» сетью и потребителем электроэнергии (в данном случае, проточным водонагревателем), позволяя поддерживать в электрической сети уровень напряжения в 220 В и защищая прибор от перенапряжения, высоковольтных импульсов, бросков и «просадок» напряжения. 2. Возможности электроснабжения Теперь немного о предельно допустимой мощности проточного водонагревателя. Распространенное мнение о том, что во всех квартирах с электроплитами есть трехфазная сеть, неверно. Более того, те, кто думают, что к розетке электроплиты можно подключить однофазный «проточник» любой мощности, тоже немного ошибаются. Впрочем, отсутствие электроплиты также не является основанием для отказа от возможности пользоваться проточным способом нагрева воды. Розетки для электроплит в современных домах чаще всего предусмотрены однофазные, кабель к щитку тянется алюминиевый с диаметром сечения 4 мм1, а на щитке установлен автомат защиты на рабочий ток 25 А. Сделано это в расчете на стандартную российскую плиту ЗВИ (которая иногда даже прилагается к квартире в новостройке), у которой по две конфорки мощностью 1,2 кВт и по две конфорки мощностью 1,6 кВт. Максимально допустимая мощность подключенного к такому 25амперному автомату равна, как нетрудно посчитать, 5,5 кВт при напряжении 220 В. Кстати говоря, в некоторых случаях этого и достаточно, если правильно подойти к подбору подходящей модели. Например, на рынке существуют безнапорные спиральные «проточники» небольшой мощности, оснащенные смесителем с особым рассекателем, обеспечивающим достаточный для мытья рук напор даже при небольшом протоке. Если же выяснится, что нужен прибор иной конструкции или помощнее, или имеющийся в распоряжении обитателей квартиры автомат рассчитан только на 16 А (так оно и бывает, когда в квартирах есть газовые плиты), то для использования проточного водонагревателя необходимо устанавливать отдельный автомат защиты и тянуть отдельный кабель — об этом можно договориться с обслуживающей дом организацией. Кстати говоря, договориться можно сразу и о трехфазном кабеле: в дом ведь приходит трехфазный четырехжильный кабель (три фазы и нулевой провод), а квартиры подключаются на разные фазы. Важно, чтобы работы по выделению и прокладке кабеля выполнялись квалифицированным специалистом: это поможет правильно выполнить все необходимые электроподключения и в случае неполадок в электросети избежать «перекоса фаз»1, который может возникать при неравномерном подключении потребителей к фазовым проводам источника трехфазного тока, при обрыве нулевого или одного из фазных проводов, при коротком замыкании одного из фазных проводов на нулевой провод. При стандартном соединении обмоток звездой и четырех-проводном питании потребителей (с нулевым проводом), и обрыве нулевого провода (например, при его отгорании из-за сильной перегрузки по фазам, при коротких замыканиях, при плохом контакте в месте подключения проводника, при его обрыве в результате действия стихии, при краже нулевого проводника, при старой электропроводке, из-за ошибки обслуживающего персонала) в общей точке трехфазной сети формируется суммарный потенциал, определяемый сопротивлением нагрузки каждой из фаз, и фазовые напряжения распределяются между однофазными потребителями пропорционально их электрическому сопротивлению. Поэтому в самой ненагруженной фазе возрастет ток и, следовательно, напряжение. В случае возникновения форсмажорной ситуации водонагреватель как источник повышенной мощности может вызвать скачок напряжения у соседей, использующих маломощные приборы. Аналогичная ситуация возникает при коротком замыкании фазного провода на нулевой: в этом случае, если не сработает защита от коротких замыканий, напряжение между оставшимися фазами и нулевым проводом также увеличится. Правда, в городских условиях такое неблагоприятное стечение обстоятельств возможно разве что в газифицированных домах со слабыми электросетями или малоэтажных зданиях с небольшим общим числом потребителей. Если же будет выбран и смонтирован трехфазный прибор, описанного явления по вине проточного водонагревателя не может возникнуть в принципе, т.к. вся нагрузка в этом случае распределится на три фазы равномерно. 3. Потребность в водоснабжении Давайте отвлечемся от возможностей электросети и рассмотрим потребности обитателей квартиры в количестве нагретой воды, чтобы понять, какой мощности должен быть проточник. Расчеты производятся по общим формулам: Q = cmΔt, (3.1)где Q — энергия, которую необходимо затратить для нагрева во ды, Дж; c — удельная теплоемкость воды, которая при 10 °C равна 4,192 кДж/(кг⋅°С); m — масса нагреваемой воды, кг; Δt — разница температур нагретой и нагреваемой воды, °C. Для простоты расчетов допустим, что удельная теплоемкость воды c равна приблизительно 4,2 кДж/(кг⋅°С), а масса воды m численно равна ее объему V в литрах (m = ρV, где ρ — плотность воды, которая при 10 °С равна 0,99973 г/см3):P = Q/τ, (3.2)где P — требуемая мощность [кВт] для нагрева данного объема воды на указанную разницу температур, τ — время нагрева, с.Расчетные данные таковы: для обычного смесителя приемлемый минимальный проток равен 4 л/мин, для душа — 6 л/мин, комфортная температура для теплой воды составляет 38–41 °С (душ) или 50 °С (мытье посуды). Допустим, что водонагреватель требуется в квартиру на время летнего профилактического отключения горячей воды, и работать единовременно будет только одна водоразборная точка (либо душ, либо умывальник, либо кухонная мойка). Температура холодной воды в водопроводной сети, согласно нормативам, в неотопительный период должна быть равна 15 °С. На деле же бывает, что летняя температура мало отличается от зимней и не превышает 7 °С. Поэтому, если замеры температуры летней воды в квартире не проводились, лучше для подстраховки взять значение 10 °С.В результате несложных расчетов по формулам (3.1)–(3.2) получаем, что требуемая мощность нагрева для удовлетворения потребностей клиента и приближения к уровню комфортности централизованного горячего водоснабжения должна быть не менее4200 Дж/(кг⋅°С) × 6 л ×× 30 °С/60 с = 12 600 Вт(исходные данные: душ 6 л/мин, температура холодной воды 10 °С, температура нагретой воды 40 °С).В нашем примере получилось, что однофазный проточный водонагреватель клиенту не подходит, поскольку максимально возможная мощность таких приборов не превышает 9 кВт. Но если удастся снизить проток (это единственный показатель, который в данном случае возможно изменить), например, использовать специальную душевую насадку с узкими отверстиями, позволяющими компенсировать напор при уменьшении протока, для душа хватит и 4 л/мин, а, значит, и требуемая мощность составит4200 Дж/(кг⋅°С) × 4 л × 30 °С/60 с == 8400 Вт(исходные данные: душ 4 л/мин, температура холодной воды 10 °С, температура нагретой воды 40 °С).Особенно сильно снизить проток может и не получиться, т.к. при определенном значении протока водонагреватель просто выключится (это значение можно узнать из технической документации к прибору).Следует также учесть, что, если водонагреватель не подключен непосредственно к смесителю, а смонтирован на стояке, то будут дополнительные потери тепла при прохождении нагретой воды по трубам до водоразборной точки. Поэтому неплохим решением с точки зрения экономии электроэнергии является установка нескольких приборов (по «проточнику» на каждую из водоразборных точек).Этот же вариант будет оптимальным и при отсутствии в доме лишней мощности (ветхие электросети, газовые плиты, просчеты энергетиков при строительстве), когда приходится соразмерять свои потребности с объемом свободной энергии. Здесь уместно рассеять бытующее заблуждение об энергетической «прожорливости» электрических проточных приборов. Ничего подобного! На нагрев, допустим, 100 л воды от 10 °С до 40 °С — см. формулу (3.1) — нужно затратить 12,6 МДж энергии, а мощность нагревающего элемента лишь определяет скорость нагрева — см. формулу (3.2). Водонагреватель мощностью 8 кВт нагреет этот объем за 26 мин (скорость нагрева — 3,8 л/мин), а водонагреватель мощностью 2 кВт — за 105 мин (скорость нагрева 1,05 л/мин). Счет же за электричество придет в обоих случаях одинаковый, потому что энергетики измеряют не киловатты, а киловатт-тчасы (соотношение между джоулем и ваттчасом таково: 1 Дж = 0,00027778 Вт⋅ч). Более того, накопитель в целом потратит больше энергии, ведь ему еще надо поддерживать температуру нагретой воды на заданном уровне. 4. Реалии водоснабжения А теперь поговорим о параметрах нагреваемой воды, т.е. воды, которую мы получаем из водопроводной сети. Вода подается под определенным давлением, которое может превышать максимально допустимое для выбранного прибора. Если давление водопроводной воды в квартире больше рекомендуемого производителем «проточника», то рекомендуется поставить на холодную воду редуктор давления. Это продлит срок службы не только водонагревателю, но и прочим установленным в квартире сантехническим приборам. Если в водопроводной сети имеют место колебания протока воды, то рекомендуется «проточник» с электронным управлением: он умеет самостоятельно регулировать свою мощность в зависимости расхода воды. Из гидравлических проточных водонагревателей справиться с проблемой могут лишь модели с системой поддержания стабильного протока. Еще одним важным параметром, оказывающим влияние на функционирование проточных водонагревателей, является химический состав воды. В зависимости от типа нагревательного элемента выделяют две основные проблемы. 4.1. Нагревательный элемент — ТЭН, проблема — жесткость воды Колба, в который расположен ТЭН, очень маленькая, поэтому отложение солей жесткости (карбонаты кальция и магния) могут забивать ее, приводя к перегреву нагревательного элемента. Скорость образования накипи, правда, не так высока, как в водонагревателях накопительного типа ввиду более низкой температуры нагрева. Однако, накипь образуется не только в горячей воде — так, растворимость карбоната кальция в воде при температуре, допустим, 25 °С равна 0,053 г/л, карбоната магния — 0,223 г/л. Содержание указанных соединений сверх этих значений потенциально могут образовывать отложения, как мы видим, даже в достаточно холодной воде. А поскольку вода в муниципальных системах водоснабжения традиционно отличается повышенным содержанием карбонатов кальция и магния жесткостью, то предпринятые меры по снижению жесткости никогда не будут лишними. Тем более, что это параллельно приведет к увеличению сроков службы бытовой техники (стиральные и посудомоечные машины, чайник), отсутствию разводов на сантехнике, уменьшению расхода стирального порошка и моющих средств. Возможны четыре варианта решения проблемы повышенной жесткости воды. 4.1.1. Полное или частичное обессоливание воды методом обратного осмоса. Метод заключается в фильтрации воды через полупроницаемые поры размером порядка 10–7 м под давлением. Селективность таких мембран составляет 96–99,5 % (они задерживают 96–99,5 % всех растворенных солей). Ввиду высокой дороговизны таких установок можно поставить систему частичного обессоливания: поток воды разветвляется байпасным вентилем. Первая часть потока никак не очищается, а вторая пропускается через систему обратного осмоса. На входе и выходе из системы ставятся TDSметры, которые измеряют общее солесодержание воды. Для достижения нужного результата долю очищенной воды увеличивают или уменьшают. 4.1.2. Умягчение воды методом натрий-катионирования, т.е. замена нерастворимых в воде ионов Са2+ и Mg2+ на ионы Na+ посредством фильтрования исходной воды через слой ионообменной смолы. Регенерация ионообменной смолы производится поваренной солью. Подключение установки умягчения к трубопроводу исходной воды производится через обводную линию (байпас), оборудованную запорной арматурой, позволяющей при необходимости подавать потребителю исходную воду. Производительность таких установок весьма разнообразна (от 10 л/ч до 10 м3/ч) и зависит от двух параметров: диаметра корпуса фильтра и объема смолы. В погоне за уменьшением габаритов установки следует, однако, помнить, что уменьшение объема смолы ведет к учащению необходимости ее регенерации. При расчетах удобно пользоваться следующей зависимостью: 1 л смолы с емкостью 1 экв÷л убирает 1 ед. жесткости у 1000 л воды. Наиболее компактный для квартиры вариант — это стандартная колба с картриджем, монтируемая на трубу. В картридж засыпается ионообменная смола. Однако следует помнить, что объем смолы, который помещается в картридж стандартной колбы, равен 1 л. То есть после умягчения 1000 л воды на 1 ед. жесткости требуется регенерация либо перезасыпка смолы. На практике приходится умягчать воду по крайней мере на 2–4 ед., а это значит, что ре генерация (перезасыпка) требуется уже после 250–500 л. Поэтому, если позволяет место, лучше остановить свой выбор на более долгоиграющем варианте — установке-микрокабинете с минимальными габаритами 70×52×33,5 см. 4.1.3. Насыщение воды полифосфатом натрия. Наличие ионных и ковалентных связей в полифосфатах обуславливает их способность образовывать растворимые комплексы с ионами металлов, предотвращая выпадение труднорастворимых соединений поливалентных катионов (Са2+, Mg2+, Fen2+), а также пептизировать (расщеплять) осадки этих же катионов. Полифосфат представляет собой прозрачные кристаллы неправильной формы. По мере прохождения через него жесткой воды кристаллы растворяются, обеспечивая надежную защиту нагревательного элемента. Для реализации этого метода используют специальные фильтры, разработанные для непосредственного подключения в систему коммунальнобытового водоснабжения. Действие фильтра основано на эффекте сопла Вентури: подсасывание насыщенного раствора полифосфата из колбы происходит пропорционально потоку воды, протекающему через верхнюю часть фильтра. Для контроля уровня полифосфата колба фильтра выполнена из прозрачного пластика. Недостатком данного метода является то, что полученная в результате обработки полифосфатом вода классифицируется как техническая, т.е. она может использоваться для душа, стиральных и посудомоечных машин. Но насколько она подходит для употребления в пищу — неизвестно. Поэтому для питьевых целей обычно устанавливают отдельный кран со своей водоочисткой. 4.1.4. Безреагентное умягчение воды — магнитное воздействие. Данный метод не снижает жесткость воды, а предотвращает образование карбонатных отложений. В основе технологии обработки воды положен принцип изменения формы кристалла карбоната кальция под действием электромагнитных волн звукового диапазона. Эти постоянно меняющиеся волны приводят к изменениям кристаллической структуры солей, образующих накипь. Изменения достигаются дестабилизацией ионов кальция (Ca2+) и карбонатионов (CO32–), которые объединяются при нагревании, образуя хрупкую кристаллическую структуру, не способную прилипать к ТЭНу и стенкам нагревательной колбы. 4.2. Нагревательный элемент — неизолированная спираль, проблема — высокая минерализация воды Водонагреватели со спиральным нагревательным элементом могут использоваться при любой жесткости воды: при нагревании и остывании проволока деформируется, слои накипи на ней дают трещины, отваливаются и смываются. Но здесь имеет большое значение общая минерализация воды. Растворенные в воде ионы, являясь заряженными частицами, могут проводить электричество: чем больше в воде ионов, тем выше в ней содержание растворимых веществ и тем выше ее электропроводность и, соответственно, ниже сопротивление. Так как у материала спирали тоже есть сопротивление, очевидно, что ток пойдет по тому пути, где сопротивление будет меньше. Поэтому для того, чтобы исключить пробой между витками спирали, что приведет к ее перегоранию, а также предотвратить утечку тока по воде, необходимо, чтобы сопротивление воды было больше, чем сопротивление материала спирали. А электропроводность воды (величина, обратная сопротивлению), соответственно, меньше, чем электропроводность спирали. Исходя из этого, производители спиральных проточников всегда указывают допустимые величины удельного сопротивления воды ρ в Ом⋅м (нем. — spez. Wasserwiderstand, англ. — spec. water resistance) при определенной температуре и удельной электропроводности λ в См/м2 (нем. — spez. elektrische Leitfдhigkeit, англ. — spec. electrical conductivity).Эти данные рекомендуется узнавать у предприятия, отпускающего воду. Электропроводность также можно измерить специальным прибором — кондуктометром (они продаются, например, в зоомагазинах — их используют при разведении рыб для определения параметров воды в аквариумах). Для приблизительной оценки электропроводности и сопротивления можно использовать результаты анализа водопроводной воды, а точнее, показатель «общая минерализация» (англ. — TDS: total dissolved solids) — суммарный количественный показатель содержания растворенных в воде веществ (этот параметр также называют общим солесодержанием, т.к. растворенные в воде вещества как правило находятся именно в виде солей). Если общий анализ воды не делался, солесодержание можно измерить портативным TDSметром. Эмпирическое соотношение выражено в формуле:TDS [мг/л] = 0,65λ [мкСм/cм], (4.1)т.е. величина электропроводимости, умноженная на коэффициент 0,65, численно равна солесодержанию3. Отсюда, если солесодержание TDS известно из анализа воды, удельное сопротивление можно вычислить по формулам:ρ [Ом⋅м] = 6500/TDS [мг/л], или (4.2)ρ [Ом⋅см] = (4.3)= 6500×100/TDS [мг/л].А электропроводность — по следующим формулам:λ [См/м] = TDS [мг/л]/6500, или (4.4)λ [мСм/м] = TDS [мг/л]/6,5. (4.5)Если модель проточного водонагревателя уже выбрана, можно взять из его инструкции указанные производителем пиковые значения удельного сопротивления и удельной электропроводности, чтобы найти предельно допустимое солесодержание водопроводной воды. Очень важно не запутаться в порядках чисел, если данные указаны в мили- и микроединицах. Предположим, в инструкции написано: ρ ≥ 1300 Ом⋅см, λ ≤ 76 мСм/м. Тогда:❏ если считать по сопротивлению (см. формулу 4.3):TDS [мг/л] = 6500×100/ρ [Ом⋅см] == 6500×100/1300 = 500 мг/л;❏ если считать по электропроводности (см. формулу 4.5):TDS [мг/л] = λ [мСм/м] × 6,5 == 76×6,5 = 494 мг/л.Результаты по одной и другой формулам должны получиться примерно одинаковые. То есть такой «проточник» не подойдет для воды с общей минерализацией более 500 мг/л. Следует заметить, что, согласно нормативу СанПиН 2.1.4.1074–01, предельное солесодержание не должно превышать 1000 мг/л. Иначе говоря, вода может соответствовать нормативам качества, но не подходить для использования с конкретной моделью прибора. С другой стороны, даже значение 500 мг/л встречается нечасто. Например, согласно замерам МГУП «Мосводоканал», общее содержание солей в питьевой воде в распределительной сети г. Москвы в 2006 г. составляло 127–334 мг/л. Если же превышения все же имеют место, уменьшить общую минерализацию можно несколькими способами, из которых для решения проблемы в рамках водоснабжения отдельной квартиры подходит, пожалуй, только система обратного осмоса, описанная в п. 4.1.1. ❏