Если вы оглянетесь назад, скажем, в 1991 год, и посмотрите на индустрию нагрева и охлаждения воды, вы увидите печальную картину. Всего 20 лет назад производители отопительных приборов с трудом осваивали воду, медленно продвигаясь вперед. Развивающийся строительный рынок практически не использовал гидронику — это было угнетающе. В настоящее время индустрия нагрева и охлаждения воды совершенно преобразилась — она движется с невероятной скоростью в четком и ясном направлении.
Новое оборудование и новые рыночные условия подвели производителей к новому уровню инженерного мастерства. Без сомнения, движущие силы — в основном, стремление к все большей энергетической эффективности и продвижение гидравлических систем в области, где они ранее не использовались вообще — придали новым решениям в области гидроники более высокий темп. Новые типы оборудования, такие как конденсационные котлы, довели полноту сгорания топлива до 95–99 %.
Конденсация паров воды — это остроумный способ получения энергии. Благодаря новым и усовершенствованным способам контроля, внедрению автоматизированных систем, инженерные системы быстро развиваются. На высокую степень эффективности функционирования обратили внимание и владельцы зданий. Если инженеры смогут довести период окупаемости нового оборудования до трех-четырех лет (а для некоторых отраслей и в меньшие сроки), это явится стимулом к использованию новой технологии.
Помочь объяснить этот феномен согласились квалифицированные и опытные эксперты, в т.ч.: Билл Рут, вице-президент по продаже и маркетингу, Laars Heating Systems Co.; Майк Чилз, президент и генеральный директор, Watts Radiant; Тим Роузен, P.E., инженер-механик; Марк Олсон, генеральный директор, Caleffi Hydronic Solutions; Джоан Мишью, менеджер по прикладным технологиям, Laars Heating Systems Co. В ходе исследования специалистами выяснено, что эффективность систем водяного отопления зависит от следующих шести ключевых аспектов применения отопительных котлов.
1. Эффективность системы
Насколько эффективно котел взаимодействует со всей системой отопления, определяется его способностью поставлять тепло в систему — быстро или медленно, в зависимости от потребностей системы и способности котла реагировать на их изменение. Основным понятием здесь является «величина тепловой нагрузки на систему». Общая эффективность системы резко увеличивается, когда оборудование работает с наибольшим КПД — в этом случае эффективность сгорания топлива максимальна при любых уровнях тепловой нагрузки.
Как говорит Джоан Мишью из компании Laars Heating Systems, другим важным фактором эффективной работы системы является применение интеллектуальных устройств регулирования производительности. Эти устройства отмечают изменения в поведении системы и «изучают» реакцию системы на изменение внешних условий, таких как тепловая нагрузка, температура наружного воздуха и уровень мощности котла.
«Существуют способы плавного и ступенчатого регулирования производительности котла», — говорит Джоан Мишью. Как плавное, так и ступенчатое регулирование уменьшают затраты топлива, поскольку котел вырабатывает количество тепла, строго соответствующее потребностям системы. Ключевыми факторами создания эффективной системы отопления являются также прокладка эффективной системы трубопроводов.
Самый эффективный котел в мире не может сделать систему эффективной, если она имеет нерациональную схему трубопроводов с неэффективной прокачкой воды. Теперь что касается реакции котла на температуру наружного воздуха, воды в накопительном баке и воды в системе отопления. Этот фактор также существенно влияет на общую эффективность системы. Блоки управления работой котла должны обязательно принимать во внимание эти ключевые параметры.
«Технология конденсации паров воды, находящихся в продуктах сгорания, является решающим фактором повышения эффективности системы отопления с газовым котлом», — добавляет Билл Рут из компании Laars Heating Systems. Промышленные конденсирующие котлы, такие как Rheos+, стимулируют образование конденсата на теплообменниках и выдерживают агрессивное воздействие жидкости на материалы. Скрытая теплота конденсации, выделяющаяся из влаги, которая осаждается на первичных или вторичных теплообменниках, значительно увеличивает эффективность сгорания топлива.
«Но эффективность — это только одно из преимуществ. Установка конденсирующих котлов в систему отопления может играть более важную роль. Их стойкость к тепловым ударам и способность принимать обратную воду с низкой температурой переводит конденсирующие системы в разряд самодостаточных, идеально подходящих для разветвленных гидравлических систем с холодным пуском», — говорит Билл Рут. «Плавное регулирование идет рука об руку со способностью работать в конденсирующем режиме. Если котлы могут работать с низкотемпературной обратной водой при пониженном расходе топлива, отношение количества передаваемого тепла к расходу топлива и эффективность горения сами по себе являются источниками максимальной эффективности котла. Кроме того, при совместной установке котлов каждый из них несет только часть тепловой нагрузки — это значительно увеличивает эффективность всей системы. Некоторые системы, которые эксплуатируются при более высоких температурах, большую часть времени могут питаться от “основного котла”, которым является конденсирующий котел, — продолжает Джоан Мишью, — в то время как остальные котлы, которые несут основную тепловую нагрузку, могут быть неконденсирующими».
2. Эффективность горения и тепловая эффективность
Всего несколько лет назад многие из нас считали, что полнота сгорания топлива и термический КПД являются основными факторами, определяющими общую эффективность системы. Сейчас можно признать, что это не совсем так. Согласно Биллу Руту, передача теплоты из котла в систему отопления в нужном количестве и в нужное время — более правильный показатель эффективности системы.
Производители отопительного оборудования прикладывают много усилий, чтобы интенсифицировать процесс передачи тепла от котла к воде — этот процесс является ключевым аспектом производительности котла. Однако надо иметь в виду, что многие отопительные установки не обязаны работать на самом высоком уровне производительности (в первую очередь конденсирующие котлы), особенно если температура воды слишком высокая.
Проектируемые системы со ступенчатым или плавным регулированием производительности и/ или несколькими котлами часто имеют более высокую эффективность, чем системы, использующие одиночные конденсирующие котлы с заявленной высокой полнотой сгорания топлива.
Экологичные («природосберегающие») котлы. «Экологичные котлы — еще одна сторона эффективности системы. Теперь, когда эта проблема обсуждается в прессе, мы смотрим на выбросы — NОX, CO, CO2 — с реальным желанием уменьшить уровень загрязнений, которые подвергают опасности нашу атмосферу и снижают качество воздуха», — говорит Джоан Мишью. Комитет по контролю качества воздуха на южном побережье Калифорнии (SCAQMD), штаты Невада и Техас, а также программы, разработанные почти в каждом штате, установили предельно допустимые нормы на выбросы, особенно для NОX. Отдельной насущной задачей в этих условиях стал перевод всех отопительных приборов на забор воздуха для горения снаружи здания.
3. Обмен информацией
Как хорошо работает котел, являясь элементом отопительной системы, в части приема и обработки данных от внешних источников информации? «Информационный обмен», который мы рассматриваем как вклад в эффективность системы, включает в себя прием внешней информации, такой как температура наружного воздуха, команды системы кондиционирования здания (BAS), рабочие параметры зон обогрева, и передачу информации в BAS, такой как входная и выходная температуры воды, режим работы котла, потребление топлива, режим работы насосов и т.д.
Как говорит Билл Рут, в обмене информацией с системой важную роль играют следующие функции: возможность принимать команды от BAS (по сети BACnet, LON, Metasys, Echlon); возможность отправлять сигналы обратно в BAS; сбор данных, обеспечивающих информацию о состоянии и эффективности работы системы, таких как входная и выходная температуры воды, время работы котла, процент от максимальной тепловой нагрузки на систему, температура воды в баке ГВС, температура воды в системе отопления и т.д.; интерфейсы пользователя — как правильно и просто пользователь может изменить рабочие настройки, насколько легко он может изучить систему команд, причем сюда входят также функции клавиш, простота обращения с клавишами и дисплеем и удобство доступа.
4. Монтаж и техническое обслуживание
Основными требованиями монтажников и специалистов по техническому обслуживанию являются: простота доступа ко всем компонентам; простота монтажа на рабочем месте термостатов, устройств защиты, вспомогательного оборудования и приборов контроля системы BAS; удобный доступ к воде, газу и электропитанию с любой стороны котла; подача воздуха для горения с использованием фильтров, которые можно мыть и восстанавливать; дополнительные принадлежности, которые включают в себя горизонтальную и вертикальную вытяжную системы, а также возможность установки котла снаружи здания.
5. Циркуляция воды насосами с переменной скоростью вращения
Одно из важных условий оптимальной циркуляции воды в системе отопления, которое должно соблюдаться проектировщиками и монтажниками, — это согласование производительности насоса, или расхода воды, с потерями давления на преодоление гидравлического сопротивления системы. Как говорит Тони Рэдклифф, односкоростной насос имеет одну напорно-расходную характеристику.
Многоскоро-стные циркуляционные насосы нового поколения имеют более широкий диапазон производительности и напорно-расходных характеристик. С помощью переключателя можно выбрать различную скорость вращения насоса, легко изменяя его напор и производительность, что дает возможность удовлетворить все потребности системы.
«Мы стандартизировали ряд многоскоростных насосов, поскольку чувствуем, что они работают более эффективно, — говорит Тим Розен, сотрудник подрядной фирмы. — Трехскоростные насосы позволяют регулировать скорость вращения и предоставляют большую гибкость применения». Тим Розен добавляет, что он всегда составляет математическую модель контура, проводит вычисления тепловых и гидравлических потерь, расхода воды и напора каждого насоса. «Я использую эту информацию и расходно-напорную характеристику для выбора насоса, соответствующего той или иной тепловой нагрузке, — говорит он. — В прошлом мы могли использовать насосы трех или четырех моделей для выполнения одной и той же работы и все они выбирались с учетом требований, которые мы определяли. Имея многоскоростные насосы, я могу использовать один насос и выбрать скорость вращения, которая соответствовала бы желаемым расходу и напору. Кроме того, многоскоростные насосы дают возможность в будущем расширить систему, провести изменения и модернизацию системы».
Передовые схемные решения. Другое перспективное устройство под названием HydroLink, разработанное в компании Caleffi, сочетает в себе функции отделителя и распределителя горячей воды. Установленное в систему водяного отопления или кондиционирования воздуха, оно позволяет поддерживать разную температуру воды в различных зонах системы отопления, подключенной к одному котлу или чиллеру.
Эти устройства компактны и могут быть легко встроены в гидравлический контур котла любого типа. Согласно Марку Олсону из компании Caleffi, основной принцип работы таких устройств заключается в том, что когда отдельная гидравлическая система содержит первичный теплогенерирующий контур со своим циркуляционным насосом и вторичный контур с одним или несколькими насосами, возможно взаимное влияние насосов друг на друга, создающее нежелательные гидравлические потоки и нерасчетные давления.
HydroLink образует зону низкого перепада давления, делая первичный и вторичный контуры гидравлически независимыми друг от друга. Кроме того, это устройство сочетает в себе функции низконапорного коллектора и распределителя. В установках с высоким гидравлическим сопротивлением и малым расходом воды решающую роль играет низконапорный коллектор, поскольку он перемещает точку наименьшего перепада давления от котла к камере низкого давления агрегата.
Коллекторраспределитель оснащен близко расположенными тройниками, с помощью которых вторичный контур соединяется с первичным контуром внутри котла, в результате чего поток воды в первичном контуре незначительно влияет на поток воды во вторичном контуре.
«Благодаря тому, что отверстия в коллекторе расположены близко друг к другу, между ними почти отсутствует перепад давления, поэтому перепад давлений на коллекторе стремится к нулю», — добавляет Марк Олсон. Увеличение давления, возникающее при работе отдельного зонного циркуляционного насоса, к тому времени, как поток воды вернется обратно в коллектор, почти полностью нивелируется. Эта конструкция значительно снижает взаимное влияние циркуляционного насоса котла и зонных насосов друг на друга.
6. Распределение тепла
Возрождение водяных систем отопления и охлаждения является частично результатом резкого развития индустрии радиационных теплообменников. В промышленном секторе рынка большие радиационные системы потребовали применения как отдельных, так и объединенных отопительных котлов. Согласно Майку Чилзу из компании Watts Radiant, эти системы исторически были связаны с холодным пуском и длительным временем работы, большой емкостью, высоким расходом воды, охлаждением поступающей воды в системе отопления и быстрым ее нагревом в котле.
Конечно, большие радиационные системы требуют использования котла или котлов высокой мощности. Большим преимуществом этих систем является то, что когда масса пола или нагреваемой поверхности, оснащенной такими системами, достигает заданной температуры, котел может работать короткими циклами и не так часто. Система с плавным регулированием температуры путем включения подогрева поддерживает температуру объекта на заданном уровне.
С помощью котла с плавным регулированием производительности или котлов со ступенчатым регулированием система эффективно парирует изменение тепловой нагрузки. Другим способом увеличения эффективности работы котла в периоды низкой тепловой нагрузки является добавление в систему тепловой массы. С этой целью в систему устанавливают накопительные баки с водой.
«Снегоплавильные машины с их высокой потребностью в тепле и большой массой при очень низкой температуре поступающей воды/гликоля накладывают различные требования на систему», — добавляет Майк Чилз. Здесь основным требованием является отсутствие коротких циклов работы. При входе в теплообменник замерзающей воды в процессе холодного пуска возможны тепловые удары. К счастью, конденсирующие котлы нового поколения хорошо справляются с этими ударами.
Многие современные котлы не выдерживают такие удары из-за материалов, применяемых в гидравлическом контуре, и теплообменников. Другие котлы можно легко защитить от теплового удара с помощью встроенного в котел обводного клапана (байпаса), который дополняет системы автоматического регулирования или устанавливается в системы с ручным регулированием температуры.
За последние 20 лет произошли большие перемены. Сейчас мы обладаем современной технологией, которая становится все совершеннее, помогая профессионально откликаться на требования рынка и заказчиков, которые видят преимущества современных решений в использовании гидроники. А теперь всем нам можно заглянуть и в 2021-й год.
