Газовый котел с электрическим генератором: устройство, принцип работы и обзор популярных брендов
Сохранение энергетических ресурсов становится всё более актуальным вопросом, поскольку запасы природного топлива не бесконечны. Для эффективного использования всех видов топлива необходимо разрабатывать новые технологии или существенно обновлять уже существующие.
Газовые котлы с интегрированными электрогенераторами представляют собой гибридные системы, которые позволяют разумно расходовать голубое топливо. В данной статье мы подробно расскажем о принципах работы такой установки, которая производит как тепло, так и электричество. Также представим ряд популярных моделей гибридных котлов.
Рациональное использование энергоресурсов
Даже обычный пользователь, обладающий газовым котлом для обогрева своего жилища, может начать задумываться о целесообразности использования тепловой энергии. Действительно, при сгорании газа котел не может использовать всё выделяемое тепло в полной мере.
Во время функционирования отопительной системы утечка части тепла неизбежна. Основные потери происходят за счет выброса продуктов горения в атмосферу, что означает потерянную энергию, которая могла бы быть использована иным образом.
О чем именно идёт речь? О возможности переработки «потерянного» тепла в электрическую энергию.
Даже если отопительная система оптимизирована для достижения максимального коэффициента полезного действия, остаётся значительное количество энергии, которое теряется в процессе сгорания топлива.
В качестве топлива могут использоваться различные материалы, начиная от простых дров и брикетов, заканчивая более экономичными вариантах: магистральным газом с высоким содержанием метана, синтетическим газом и пропан-бутановыми смесями.
Хотя может показаться, что это не что-то необычное, на самом деле технология, разработанная Робертом Стирлингом в 1943 году, существует уже много лет. Особенности её конструкции и принцип работы позволяют отнести её к двигателям внутреннего сгорания.
Почему же в течение столь долгого времени эта установка не применялась? Ответ кроется в том, что теоретические наработки того времени не могли быть реализованы на практике из-за громоздкости конструкции.
Материалы и технологии предыдущих лет не позволяли уменьшить размер установки, а существующие способы производства электричества были более выгодными.
Интеграция устройства, способного превращать бесполезное тепло в электроэнергию, в схему газового котла значительно повышает эффективность работы всей системы.
Что же побуждает нас задумываться о более рациональном использовании невозобновляемых ресурсов? Современные тенденции показывают, что рост технологий ведет к более высокому потреблению электрической энергии по всему миру.
Темпы роста потребления энергии настолько велики, что компании, занимающиеся электрораспределением, не успевают модернизировать свои системы, не говоря уже о дополнительном производстве. Это приводит к частым сбоям в работе электросистем, и в некоторых случаях такие поломки становятся весьма регулярными.
Современные отопительные котлы оснащены управляющими системами, которые требуют электричества для функционирования. На питание нуждаются циркуляционные насосы, различные датчики и автоматизированные системы. Этот набор устройств вызывает обоснованные опасения относительно сохраняемости их работы в условиях отключения электричества.
Запуск принудительных систем отопления без электричества невозможен. Падение напряжения в отопительный период обернётся катастрофой — помещение быстро охладится, а в случае длительного простоя системы возможно замерзание контуров.
Долговременное отключение отопления зимой может привести к замерзанию системы и образованию ледяных пробок, что в итоге вызовет повреждения оборудования и трубопроводов.
Традиционные решения этой проблемы включают установку источников бесперебойного питания, генераторов различных видов (газовых, бензиновых, дизельных) либо использование альтернативных источников, таких как ветряные генераторы или мини-тепловые и гидрогенераторы.
Но данный подход подходит далеко не всем, так как не у всех есть возможность выделить место для установки автономного источника электроэнергии.
Если владельцы частных домов могут отвести место для генератора, то жителям многоэтажек это крайне затруднительно. В результате, жители многоквартирных домов, использующие индивидуальное отопление, становятся самыми уязвимыми при отключении света.
Поэтому производители системы отопления начали искать способы более эффективного использования тепла, которое «выбрасывается» в процессе отопления. Они задумались о том, как можно применять ненужное тепло для генерации электроэнергии.
Разработчики обратились к технологии Стирлинга, потому что современные достижения позволяют повысить её эффективность, сохранив компактные размеры.
Принцип действия двигателя Стирлинга основан на движении поршня вверх и вниз. Он практически бесшумен и не вызывает вибраций в работе других механизмов.
Принцип функционирования установки Стирлинга заключается в чередовании нагрева и охлаждения рабочего тела, в результате чего вырабатывается электрическая энергия.
Внутри закрытого поршня находится газ, который при нагревании расширяется, поднимая поршень, а после охлаждения сжимается, опуская его обратно.
Обзор производителей котлов с электрогенераторами
Теперь рассмотрим конкретные примеры бытовых котлов, в которых успешно реализована идея использования отработанных газов для генерации электричества. Южнокорейская компания NAVIEN разработала котел HYBRIGEN SE, воплотивший вышеупомянутую технологию.
В этом котле установлен двигатель Стирлинга, который, по данным производителя, способен генерировать 1000 Вт электричества на напряжении 12 В. Утверждается, что эту электроэнергию можно использовать для питания различных бытовых приборов.
Такой мощности должно хватить для работы холодильника (около 0,1 кВт), настольного компьютера (примерно 0,4 кВт), ЖК телевизора (около 0,2 кВт) и до 12 светодиодных лампочек мощностью по 25 Вт каждая.
Котел серии HYBRIGEN SE от компании NAVIEN с интегрированным генератором и двигателем Стирлинга: работает не только для отопления, но и для выработки порядка 1000 Вт электроэнергии.
Среди европейских производителей в данной области активно работает компания Viessmann, которая предлагает две модели котлов из серии Vitotwin 300W и Vitotwin 350F.
Первая модель, Vitotwin 300W, стала первенцем в этой области. Она отличается компактными размерами и внешним видом, схожим с обычным настенным газовым котлом. При этом в процессе эксплуатации вскрылись некоторые недостатки работы двигателя системы Стирлинга.
Наиболее заметной проблемой оказалось отведение тепла, которое является основой работы установки. То есть разработчики столкнулись с той же трудностью, что и сам Стирлинг в сороковых — необходимость эффективного охлаждения, которое возможно только с использованием больших размеров охладителя.
Проблема с решением охлаждения была учтена в модели Vitotwin 350F, где в конструкцию было добавлено не только газовое устройство, но и бойлер на 175 литров.
Накопительный бак для горячей воды размещён в напольном исполнении из-за большого веса как самой установки, так и воды, предназначенной для бытовых нужд.
В данной ситуации удалось эффективно решить задачу охлаждения поршня двигателя Стирлинга за счет использования воды в бойлере. Однако это увеличило размеры и вес аппарата, теперь его нельзя установить на стену, как обычный котел, он должен быть размещен на полу.
Котлы Viessmann также имеют возможность подключения к внешним электропроводам, позволяя подводить электроэнергию от центральных сетей. Однако компания представляет оборудование именно как решение для обеспечения собственных нужд работы агрегата без возможности использования лишней электроэнергии для бытовых нужд.
Система Vitotwin F350 включает комбинированный котел с бойлером для нагрева объёмом 175 литров, что позволяет не только обогревать помещение, но и обеспечивать горячей водой, а также вырабатывать электроэнергию.
Чтобы стать более осведомленным о сравнении эффективности генераторов, устанавливаемых в систему отопления, стоит обратить внимание на котел, разработанный белорусской компанией «ТЕРМОФОР» и российской «Криотерм» (Санкт-Петербург).
Эти устройства стоит рассмотреть не из-за желания конкурировать с вышеупомянутыми системами, а для изучения различий принципов работы и эффективности генерации электричества. Эти котлы используют в качестве топлива только дрова, прессованные опилки или древесные брикеты, поэтому их невозможно сравнить с моделями NAVIEN и Viessmann.
Котел под названием «Индигирка» предназначен для длительного отопления с использованием дров и других видов твердого топлива. Он оборудован двумя термоэлектрическими генераторами (ТЭГ 30-12), которые установлены на боковой стороне устройства. Эти генераторы имеют низкие параметры мощности, позволяя производить в сумме всего 50-60 Вт при напряжении 12 В.
Конструкция печи «Индигирка» обеспечивает не только отопление помещений, но и возможность готовить пищу на конфорке. В ее систему встроены два теплогенератора, функционирующие на 12 В с мощностью 50-60 Вт.
В этом котле применен эффект Зебека, основывающийся на выработке электрического напряжения в замкнутой цепи, состоящей из двух различных материалов, которые устанавливаются в контакте при разных температурах. Таким образом, устройство использует тепло, выделяемое во время работы, для генерации электричества.
Сравнительный анализ эффективности котлов
При сравнении различных моделей котлов, которые не только нагревают воздух (или теплоноситель), но и производят электрическую энергию за счет выделяемого тепла, необходимо учитывать ряд важных факторов, влияющих на их эксплуатацию.
Обе компании NAVIEN и Viessmann представляют свои котлы как полностью автоматизированные устройства, которые не требуют вмешательства или технического обслуживания после первого запуска.
Этим котлам нужен лишь стабильный источник газа – это может быть как централизованное газоснабжение, так и баллонный газ или газгольдер. Побочный эффект сгорания бытового газа не приносит ущерба природе.
Что касается «Индигирки», то в качестве топлива тут используются дрова, пеллеты или прессованные опилки, что отличается от газовых моделей.
При этом котел не имеет автоматизированной системы, что исключает зависимость от электросети. Генерация электрической энергии и работа котла не взаимозависимы: даже при выходе из строя электрогенератора, котел продолжит выполнять свои функции.
Все котлы с газовыми горелками и встроенными двигателями Стирлинга создают электричество, которое можно использовать для различных нужд.
Однако котлы NAVIEN и Viessmann не могут предложить аналогичные возможности, поскольку двигатель Стирлинга интегрирован непосредственно в конструкцию котла. Важно разобраться, насколько эффективно подобные системы с точки зрения экономической целесообразности и через какой срок они смогут себя окупить.
Экономическая эффективность рассматриваемых систем
На первый взгляд, котлы от NAVIEN и Viessmann можно ассоциировать с мини-ТЭС, работающими в частных домах и квартирах.
Несмотря на их значительные размеры, возможность получения электрической энергии просто в процессе использования котла для отопления бойлера или обогрева помещений является достаточно привлекательной для покупателей.
Тем не менее, при более тщательном анализе котла NAVIEN возникают некоторые вопросы. Заявленная мощность в 1 кВт, доступная для потребления, учитывает также и потребление электроэнергии для работы автоматики.
Это включает в себя работу вентилятора и циркуляционного насоса. В совокупности эти устройства могут расходовать всю заявленную мощность, что вызывает сомнения в реальности эффективного использования данного кВт.
В то же время, система отопления Viessmann Vitotwin 350F с напольным бойлером на 175 л позволяет использовать электроэнергию как от внешних источников, так и отправлять излишки произведенной электроэнергии в общую сеть.
Похожие вопросы возникают и по продуктам Viessmann, однако они не утверждают, что возможен выработка энергии для собственных нужд, а лишь упоминают о возможности автономной работы в отсутствие внешнего энергоснабжения.
Разработчики также указывают на потребность в дополнительной электроэнергии в условиях пиковой нагрузки. С учетом заявленной производительности в 3500 кВт*ч в год, этот нюанс вызывает сомнения, и простые расчеты показывают:
3500:6 (месяцев отопительного сезона):30 (количество дней в месяце):24 (количество часов в сутках) = 0,81 кВт*час.
Таким образом, котел может производить около 800Вт при постоянной работе. Однако важно учитывать, сколько энергии в действительности он потребляет. Может, эти же 800Вт, а возможно, и больше.
Кроме того, электроэнергия вырабатывается только при работе горелки, поэтому требуется постоянная работа системы или информация, предоставленная разработчиками, может быть не совсем точной.
Почему были приведены эти расчеты? Дровяной котел действительно должен производить свои 50 Вт*ч (или 0,05 кВт*ч), которые можно использовать для подзарядки небольших устройств, например, телефона или яркой LED-лампочки. В отличие от разработок крупных компаний, эта техника больше похожа на рекламный трюк.
Что касается ценовой политики, то оценить ее довольно сложно. Даже производители Viessmann и NAVIEN сообщают, что их оборудование «не требует обслуживания». На простом языке это обозначает, что в случае поломки необходимо заменять весь агрегат.
Это может касаться не всей системы в целом, а отдельных элементов, таких как двигатель Стирлинга или система газовой горелки. Итогом может стать довольно внушительная сумма, учитывая, что стоимость таких систем варьируется около 12 тысяч евро или 13,5 тысяч долларов. В контексте котлов с генераторами, все преимущества в таких ситуациях может получить только производитель.
Котел «Индигирка» не уместно сравнивать с данными системами, так как он работает на дровах, а его цена существенно ниже (в 15 раз), поскольку предназначен преимущественно для кемпинга и походов.
В Европе решение потребителей на выбор систем отопления или энергоснабжения во многом зависит от энергоносителей, что стимулируется правительством через субсидии.
В России, наоборот, такие системы могут обойтись потребителю слишком дорого как при первоначальной покупке, так и в процессе эксплуатации.
Заключение и полезные видео по теме
Принцип работы двигателя Стирлинга в газовом котле:
Демонстрация функционирования газового котла с генератором электроэнергии:
Пример работы дровяной печи с электрогенератором для сравнения с газовыми котлами:
Нельзя забывать, что европейские компании, занимающиеся производством электроэнергии, проявляют лояльность к разработчикам энергосберегающих технологий.
В России возможность производства и передачи домашним потребителем электроэнергии в сеть не только не закреплена законодательно, но и не поддерживается сетевыми компаниями. Таким образом, представленные системы, вероятно, не найдут широкого применения в нашей стране в настоящие время.
Пожалуйста, оставляйте комментарии к статье в блоке внизу, задавайте вопросы и прикладывайте фотографии по теме. Поделитесь опытом использования котлов с электроэнергетическими системами и полезной информацией, которая будет интересна другим посетителям сайта.
