Конденсационные котлы

Производители конденсационных газовых котлов заявляют о том, что КПД их продукции превышает 100 %. Правомочно ли такое утверждение? Оно не совсем корректно — КПД любого устройства не может превышать 100 %. Откуда же берутся «хваленые» 106-115 % эффективности работы котла? Всё дело в устаревшей отечественной методике определения КПД. В ней изначально учитывается не вся тепловая энергия, которая образуется при сгорании топлива. Методика подразумевает, что часть тепла по умолчанию будет потеряна вместе с газами и дымом. Как реально получаемое тепло учитывалась только первичная энергия, получаемая непосредственно от пламени горелки. Если смотреть с этой позиции, то эффективность конденсационных котлов действительно превышает физически возможную величину.

По сути, КПД конденсационных котлов превышает аналогичные показатели обычных газовых котлов на 10-15 %, что само по себе весьма выгодно. Ведь в схеме работы обычных котлов есть слабое место. При сгорании топлива тепло посредством теплообменника передаётся теплоносителю. Пар и газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива, уходят невостребованными. Температура газов достаточно высока, и вместе с ними уходит порядка 10 % от всей произведённой котлом тепловой энергии.

Для корректного описания эффективности работы котла следует использовать понятие «норма расхода топлива». Механизм конденсации позволяет снизить эту норму, повысив эффективность работы котла. Так, для газовых котлов это примерно 155 м3/Гкал, в то время как в конденсационном режиме удельный расход газа будет 125-130 м3/Гкал.

КПД любого механизма не может превышать 100 %. Откуда же берутся «хваленые» 106-115 % эффективности работы котла? Всё дело в устаревшей отечественной методике определения КПД. В ней изначально учитывается не вся тепловая энергия, которая образуется при сгорании топлива

Котловые инновации. 12/2014. Фото 1

Физика тепла

Технология конденсации пара, присутствующего в дымовых газах, эффективно работает при низкой температуре теплоносителя (от 40 до 60 °C), при установке низкотемпературных систем. Именно в такой системе современное конденсационное оборудование позволит сэкономить до 20 % топлива. Встраивание такого котла в традиционную систему отопления с температурой теплоносителя 60-80 °С обеспечит экономию на уровне лишь 4-6 %, а конденсация как таковая будет работать в межсезонье, когда температура теплоносителя снижается. Низкотемпературный контур позволяет подключать к котлу и систему «теплых полов», для которой высокая температура недопустима.

Косвенной выгодой конденсационного котла становится экономия на дымоходе: его диаметр может быть меньше обычного, поскольку объём дымовых газов значительно меньше. Кроме того, низкая температура отходящих газов (30-50 °C) позволяет применять здесь даже пластиковые трубы

Для отбора тепла у пара конденсационные котлы должны быть оборудованы специальными теплообменниками-рекуператорами. Тепло - обменники для подобных котлов используются двух видов — трубчатые и пластинчатые. Конденсат, скапливающийся на стенках рекуператора, стекает в предназначенный для этого поддон. Объём этого конденсата приблизительно численно равен мощности котла. Так, если мощность конденсационного котла равна 15 кВт, то за сутки в нём образуется до 15 л конденсата. По сути, это слабоконцентрированная кислота, и сливать её в локальную или центральную канализацию нельзя, так как она вредна для микрофлоры очистных сооружений. Для нейтрализации стоков конденсата, имеющих химически активный состав, должны использоваться специальные фильтры.

Порой народные умельцы наперекор технологиям пытаются самостоя- тельн о со орудить рекуператор тепла дымовых газов на обычном котле. Не исключено, что он будет работать, однако долго ли? Химический состав конденсата, выпадающего на стенках рекуператора, достаточно агрессивен, ведь его источник — газы от сжигания топлива. В целях предотвращения коррозии металла теплообменник конденсационного котла изготовлен из кислотостойких материалов — нержавеющей стали или силумина.

Косвенной выгодой конденсационного котла становится экономия на дымоходе: его диаметр может быть меньше обычного, поскольку объём дымовых газов значительно меньше. Кроме того, низкая температура отходящих газов (30-50 °C) позволяет применять здесь даже пластиковые трубы. Установка конденсационного котла оправдана при отоплении больших площадей — от 150-200 м2, в этом случае экономия газа наиболее заметна. Разумеется, использовать такой котёл можно и на меньших площадях.

Котловые инновации. 12/2014. Фото 2

Терморегуляторы

Большинство современных отопительных котлов изначально содержат в своей комплектации встроенную электронную систему управления с возможностью подключения различных дополнительных устройств. Возможности котлов значительно расширяются при использовании вкупе с ними автоматических контроллеров и регуляторов температуры.

Автоматика с внутренними (комнатными) или наружными (уличными) датчиками обеспечивают комфорт в обогреваемом помещении и дополнительную экономию топлива. Комнатные датчики оперативно реагируют на изменение внутренней температуры, подавая сигнал об этом блоку управления котлом. Примечательно, что такими терморегулирующими элементами могут снабжаться как сами котлы, так и радиаторы отопления.

Приборы в таком исполнении моментально реагируют на изменение температуры в помещении и на улице. Если после пасмурной зимней ночи выглянуло солнце — температура на улице поднимается, а значит, и внутри помещения тоже. Автоматические термостаты сразу фиксируют этот процесс, отключают радиаторы и нагревательный элемент котла. Приборы перестают расходовать излишнее тепло и перегревать воздух в комнате. Таким образом, даже при резком похолодании на улице температура в помещении не падает, а при потеплении наружного воздуха стены и улица не отапливаются впустую.

На сегодняшний момент замена горелки и установка современной автоматики способна увеличить срок эксплуатации котла на 15—20 лет. Этих действий достаточно, поскольку при хорошей водоподготовке и соблюдении топочного режима вред металлу практически не наносится

Исследования, проведённые европейскими производителями отопительной техники, показали, что за счёт скоростной автоматической регулировки нагрева можно экономить до 15 % тепловой энергии за сезон (в сравнении с котлами и радиаторами без терморегулирующих элементов). Это происходит за счёт точного поддержания температуры в помещении на одном уровне. Вносит свою лепту и уменьшение циклов включений- выключений котла. В некоторых странах необходимость использования внутренних и наружных термостатов регулируется нормативными документами. Рекомендуют пользоваться ими и непосредственно сами производители котельного оборудования.

Котловые инновации. 12/2014. Фото 3

ИННОВАЦИИ - КАКИЕ ОНИ?

Какие характеристики котельного оборудования можно назвать инновационными? Разумеется, котёл не должен обладать всеми перечисленными здесь свойствами. Однако наличие уже нескольких из них говорит, что перед нами — современный, инновационный продукт:

  • рекуперация тепла дымовых газов;
  • широкий диапазон регулирования температуры (от 25 до 95 °C);
  • датчики температуры теплоносителя на подаче и «обратке»;
  • возможность подключения внешнего накопительного бойлера для горячей воды;
  • работа с комнатными и уличными термостатическими элементами;
  • электронная панель управления с дисплеем;
  • цифровая индикация температуры и давления;
  • возможность управления разнотемпературными зональными системами;
  • возможность каскадного подключения до 16-ти котлов;
  • теплообменник, выполненный из нержавеющей стали;
  • возможность программирования режима работы по разным дням недели;
  • регулирование и автоматическое поддержание заданной температуры в контурах отопления и горячего водоснабжения.

Наилучшая    «термическая адаптация» получается в результате комплексного использования датчиков уличной и комнатной температуры. Существуют ли правила выбора термостатических элементов? К большинству моделей котлов подходят разные варианты термостатов, однако желательно, чтобы терморегулятор и сам котёл были выпущены одним производителем

Наилучшая «термическая адаптация» получается в результате комплексного использования датчиков уличной и комнатной температуры. Существуют ли правила выбора термостатических элементов? К большинству моделей котлов подходят разные варианты термостатов, однако желательно, чтобы терморегулятор и сам котёл были выпущены одним производителем. Это положительно скажется во время монтажа и эксплуатирования системы. Разумеется, перед установкой термостатического оборудования нужно выполнить теплоизоляцию помещения. В противном случае неизбежны высокие теплопотери и затраты на отопление.

Для небольших помещений оптимален комнатный термостат. Установка наружного термостата будет тем эффективнее, чем больше площадь отапливаемого помещения. При этом возможна согласованная работа двух датчиков — внутреннего и наружного.

Котловые инновации. 12/2014. Фото 4

Автоматические контроллеры отопительных котлов

Вышеупомянутые термостатические элементы часто являются составной частью датчиков управления, то есть контроллеров. Электронная панель управления позволяет легко настраивать и диагностировать котёл. Она же способна запоминать последние ошибки в работе системы и сообщать о них на дисплее. Последний представляет собой полноценное информационное табло, с помощью которого можно получать и задавать информацию. Здесь можно установить желаемые параметры для температуры в помещении и для воды, подаваемой в систему ГВС. Контроллеры некоторых котлов позволяют устанавливать разные температурные нормы для каждого дня недели. Такая опция может быть полезной для людей, работающих посменно. В целом это удобная функция, которая обеспечивает рациональный расход теплоносителя. Панель управления котлом может быть вмонтирована в стену либо в монтажную коробку для розеток и выключателей.

Информацию для работы контроллеры получают из датчиков системы ГВС, температурных датчиков системы отопления, а также внутренних и наружных термостатов. В некоторые модели настенных газовых котлов уже встроены датчики комнатной температуры. При подключении наружных термодатчиков котлы становятся «погодозависимыми». В этом случае система отопления настраивается автоматически с учётом наружной температуры.

Эффективность фотоэлементов и фотоэлектрических модулей

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал русский физик Александр Столетов (1839-1896) в конце XIX века. Одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности, поэтому определённое количество фотоэлементов соединяется в фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев теплоносителя, фотоэлектрические модули производят непосредственно электричество. Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры. Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От этого недостатка можно избавиться путем установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли составляет около 1366 Вт/м2. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м2. Сейчас с помощью промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9-24 %, при этом цена батареи составит около 1-3 $/Вт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена составит 0,25 $/кВт-ч. По мнению Европейской ассоциации фотовольтаики (EPIA), к 2020-му году стоимость «фотоэлектроэнергии» снизится до уровня менее 0,10 €/кВт-ч для промышленных установок и менее 0,15 €/кВт-ч для установок в жилых зданиях.

В 2009-м году компания Spectrolab продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В 2011-м году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5 х 5,5 мм в 43,5 %. В 2012-м году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД этой системы при неподвижном положении панели составил 26-30 %. В 2013-м году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4 х 4 мм на индиево-галлий-арсенид- ной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля, с КПД 44,7 %. В 2014-м году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Котловые инновации. 12/2014. Фото 5

Модернизация как инновация

Нужно сразу отметить, что модернизация старого оборудования и реконструкция старого здания котельной обходится примерно на 40 % дешевле строительства нового здания. При этом модернизированная котельная не хуже новой позволяет снизить расходы на эксплуатацию и уменьшить себестоимость получаемого тепла.

На сегодняшний момент замена горелки и установка современной автоматики способна увеличить срок эксплуатации котла на 15-20 лет. Этих действий достаточно, поскольку при хорошей водоподготовке и соблюдении топочного режима вред металлу практически не наносится. Поэтому нельзя сказать, что модернизация — это действие, одинаковое для разных объектов и периодов времени. Принципы и средства той же автоматизации котельных станций изменяются, появляются новые возможности и функции.

Что может считаться предпосылками к модернизации?

Это следующие факторы:

  • высокая степень износа отопительного оборудования;
  • неисправимое нарушение температурного графика подачи тепла;
  • имеющаяся высокая себестоимость тепловой энергии;
  • высокие требования со стороны контролирующих органов;
  • отсутствие средств для строительства новой котельной.

Все специалисты советуют выполнять модернизацию с помощью компаний, работающих напрямую с производителями импортного оборудования. Важно, чтобы компания была способна выполнить весь комплекс работ — от проектирования до монтажа оборудования и сдачи котельной

Собственно, непосредственно модернизация котельной — что она собой представляет и в чем выражается? Существует несколько вариантов модернизации, каждый из которых (а их совокупность тем более) даёт положительный результат. Итак, модернизация котельной — это, в основном:

  • переход с одного вида топлива на другое, использование топливосберегающих технологий;
  • замена горелок, теплообменников и подогревателей;
  • нормализация водного режима котлоагрегатов;
  • изменение теплотехнической схемы трубопроводов;
  • установка частотных преобразователей в отопительное оборудование;
  • автоматизация и установка защиты котлов согласно СНиП.

Высоких технологий не бывает «много». Современные конденсационные котлы могут работать в тандеме с солнечными батареями, коллекторами и тепловыми насосами. И увязывать все устройства в одну систему следует в одной котельной. Тепловой насос полностью «закроет» потребности в тепловой энергии в отопительное межсезонье

Специалисты советуют выполнять модернизацию с помощью компаний, работающих напрямую с производителями импортного оборудования. Важно, чтобы компания была способна выполнить весь комплекс работ — от проектирования до монтажа оборудования и сдачи котельной. Такой полный цикл работ зачастую подразумевает, что компания берет на себя всю ответственность, в том числе по согласованию и экспертизе проекта.

Котлы и солнце

Также для поддержки системы отопления и горячего водоснабжения могут быть использованы солнечные коллекторы. Они, как правило, монтируются на крыше вертикально или горизонтально, и работают вместе с газовым или жидкотопливным конденсационным отопительным котлом.

По имеющимся статистическим фактам, использование современных солнечных коллекторов площадью около 5 м2 позволяет снижать затраты на отопление и горячее водоснабжение до 35 % ежегодно.

Существуют два типа солнечных коллекторов:

1. Плоские солнечные коллекторы

состоят из остекленной панели и внутренней пластины-поглотителя. На одной стороне установки находится теплоизоляционный слой. Поверхность устройства собирает видимый спектр солнечного света и преобразовывает его в тепловую энергию, которую затем передаёт жидкой среде.

2. Вакуумные солнечные коллекторы состоят из стеклянных трубок, внутри каждой из которых располагается устройство, поглощающее солнечный свет. По способу нагрева существует два типа вакуумных солнечных коллекторов: с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый вид устройств предназначен для всесезонного использования, а второй — с апреля до сентября. Вакуумные солнечные коллекторы нагревают воду независимо от времени года, их рабочий температурный режим начинается от -30-25 °C. Примечательно, что производительность такого агрегата не зависит от наличия прямого солнечного света. Вакуумный коллектор успешно улавливает и преобразует даже рассеянный солнечный свет.

Высоких технологий не бывает «много». Современные конденсационные котлы могут работать в тандеме с солнечными батареями, коллекторами и тепловыми насосами. В таком случае увязывать все устройства в одну систему следует в одной котельной. Тепловой насос полностью «закроет» потребности в тепловой энергии в межсезонье и частично в холодное время года. В качестве дополнения к нему используется котёл. Для горячего водоснабжения используется солнечный коллектор, который, в зависимости от мощности и объёма потребления, может частично или полностью справиться с этой задачей.