Дарим подарок за видео с монтажом или сервисным обслуживанием инженерных систем

Использование конденсационных котлов: цена экономии

С. Тишаев
Эффективное использование конденсационной техники требует соблюдения некоторых особых условий. Попробуем изложить их на основании анализа открытых источников – печатных материалов ведущих фирм-производителей и поставщиков. Кроме того, в статье приведен расчет экономии средств при эксплуатации конденсационного котла.

Возникновение и развитие конденсационной отопительной техники было вызвано необходимостью более эффективного использования дорогого топлива в европейских странах. Ведь понятно, что чем дороже стоит топливо, тем насущнее необходимость в его максимально эффективном потреблении. В настоящее время эта техника уже не является экзотической и на нашем рынке отопительного оборудования. Однако до сих пор нередки случаи, когда используются старые подходы к организации системы отопления, либо когда существующую систему отопления хотят сделать экономичной за счет простой замены отопительного котла на конденсационный. Без соблюдения некоторых основных условий, связанных с особенностью конденсационной техники, в таких случаях возможно получение нулевого или незначительного экономического эффекта, который не оправдает ожидания инвестора.

Конденсационный, значит, газовый?

В настоящее время подавляющее количество конденсационных котлов именно газовые. Это определяется такими свойствами природного газа, как удобство его доставки, регулирования, высокая надежность поставки, позволяющая избежать его заготовки и складирования, легкость и хорошая смешиваемость с окислителем (кислородом воздуха), чистота, стабильность и полнота сгорания, большая разность между высшей (далее — ВТС) и низшей (далее — НТС) теплотой сгорания.

Все виды используемого в теплогенераторах топлива образуют при своем сгорании дымовые газы, которые обязательно содержат в своем составе пары воды. Эта вода образуется как в процессе химической реакции окисления водорода, входящего в состав топлива, так и содержится в воздухе, используемом для поддержания процесса сгорания топлива. Из-за того, что дымовые газы покидают камеру сгорания при высоких температурах, вся вода находится в виде пара. Полное количество теплоты, высвобождаемой при сгорании единицы измерения топлива (килограмма, литра или кубометра), с учетом теплоты конденсации, выделившейся при остывании продуктов сгорания до температуры 20°С, называется высшей теплотой сгорания (ВТС) топлива. А без учета теплоты конденсации водяных паров – низшей теплотой сгорания (НТС) топлива.

Очевидно, что чем больше водяных паров находится в продуктах сгорания, тем больше разница между высшей и низшей теплотой сгорания топлива. В свою очередь, количество водяных паров зависит от состава топлива. Для некоторых видов топлива величины высшей и низшей теплоты сгорания Kond_Kotli_Tabпоказаны в таблице 1.

Таблица 1. Величины высшей и низшей теплоты сгорания для некоторых видов топлива

Как видно из таблицы, наибольшей потенциальной эффективностью использования скрытого тепла конденсации водяных паров обладает топливная древесина обычной 40% влажности (более 80% разницы между ВТС и НТС) и метан (11,2%). Что касается древесины, то для бытовых котлов использование экономайзера/конденсатора не распространено из-за большой стоимости такого оборудования (используются кислото- и щелочностойкие стали) и дешевизны топлива. А вот для промышленных котлов, где расходы малокалорийного топлива весьма существенны, такие конденсационные утилизаторы применяются довольно часто.

Возвращаясь к бытовым конденсационным котлам на природном газе, следует заметить, что не вся потенциальная разница между высшей и низшей теплотой сгорания, указанная в таблице, может быть технически использована. Существуют потери, такие как неполная конденсация всех водяных паров в дымовых газах, потери при теплообмене и т.д.

Преимущество в эффективности работы конденсационных газовых котлов перед неконденсационными хорошо видно при сравнении тепловых потерь котлов (рис. 1). На сегодняшний Kond_Kotli_Ris_1день технологии конденсационных котлов позволяют достигать КПД 108–109% (относительно низшей теплоты сгорания).

Рис. 1. Преимущества в эффективности работы конденсационных газовых котлов перед неконденсационными: а) полезное тепло и потери в неконденсационных котлах; б) полезное тепло и потери в конденсационных котлах (PCI = НТС)

Однако и такие высокие цифры достижимы только при определенных условиях.

Условия для работы

Из школьной физики мы знаем, что для превращения чистой воды в пар необходимо сначала нагреть ее до температуры насыщения (кипения), которая при нормальном атмосферном давлении составляет 100°С, а затем, при дальнейшем подводе теплоты, происходит испарение нагретой воды при постоянной температуре. После превращения всей воды в пар, при дальнейшем подводе теплоты, происходит нагрев водяного пара. При конденсации идут обратные процессы. Сначала нагретые дымовые газы, содержащие водяной пар, необходимо охладить до температуры начала конденсации (точки росы), а затем, продолжая отбор скрытого тепла парообразования, при постоянной температуре сконденсировать водяной пар из дымовых газов. Процессы теплопередачи в котле идут непрерывно через стенку теплообменника и количественно описываются основным уравнением теплопередачи:

Q = k ⋅ F ⋅ Δtср,

где Q – количество теплоты (тепловой поток,тепловая нагрузка теплообменника), Вт; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); F – площадь теплопередающей поверхности теплообменника, м2; Δtср – средняя разность температур теплоносителей, °С.

Для того, чтобы проходил процесс теплообмена, между температурами теплоносителей должна быть разница (температурный напор). Эффективный процесс происходит при разности температур не менее 10–15 К. В случае конденсационного котла более нагретым теплоносителем, который отдает тепло, являются дымовые газы, а теплоносителем, принимающим тепло, является вода. Газообразный теплоноситель (дымовые газы) обладает значительно худшими тепломасообменными характеристиками по отношению к жидкому (вода). Теплосодержание 1 кг влажных дымовых газов температурой 60°С составляет около 64 кДж, в то время, как теплосодержание того же веса воды той же температуры составляет 251 кДж. Молекулы газов хуже передают тепло как друг другу, так и стенке теплообменника. Чтобы понять, насколько хуже осуществляется теплопередача от дымовых газов по сравнению с водой, не вдаваясь в теорию теплопередачи и рассмотрение критериальных уравнений, приведем лишь сравнение полных коэффициентов теплообмена двух сред. Так, если в случае теплопередачи через тонкую стальную стенку от газов к воде коэффициент составляет 11,3 Вт/(м2·К), то от воды к воде – 340–400 Вт/(м2·К).

Таким образом, для передачи одинакового количества теплоты, в случае одинаковой разницы средних температур теплоносителей, нам понадобится площадь теплообменника в 30–40 раз большая в случае теплопередачи от газов к воде, чем от воды к воде. Значит, в случае охлаждения дымовых газов конденсационным теплообменником, чем ближе температура дымовых газов к точке росы, тем эффективнее будет работа теплообменника и полнее извлечение скрытой теплоты парообразования из сконденсированных паров.

Kond_Kotli_Ris_2 Из-за различного состава дымовых газов для разных видов топлива температура точки росы также разная (рис. 2).

Рис. 2. Кривые точки росы для метана и дизтоплива в зависимости от коэффициента избытка воздуха

В дальнейшем примем, что для природного газа точка росы составляет 55°С. Чем ближе к этому значению температура дымовых газов, тем меньше нужно их охлаждать в газо-водяном теплообменнике, что позволит значительно сократить его площадь поверхности теплообмена.

С другой стороны, из приведенного уравнения теплопередачи видно, что чем выше разность средних температур теплоносителей, тем интенсивнее идет теплопередача.Отсюда получаем второе условие для эффективной работы конденсационного котла – температура охлаждающего теплоносителя должна быть как можно ниже точки росы.

Слагаемые эффективности

В реальных системах отопления конденсационная секция котла работает с температурой обратного теплоносителя. Поэтому наиболее желательны для эффективной работы конденсационных котлов низкотемпературные графики работы систем. Самым распространенным для европейской территории является низкотемпературный график 40/30°С (40°С – температура подачи теплоносителя в систему отопления, 30°С – температура возврата теплоносителя в котел). Такой график характерен для систем отопления поверхностного типа («теплый пол», стеновые отопительные панели), обладающих большими площадями поверхности нагрева.

В случае работы конденсационного котла в системах низкотемпературного панельного отопления или при отоплении пола с графиком 40/30°С, низкие температуры обратного теплоносителя всегда ниже температуры точки росы, так что конденсат в котле возникает постоянно. Котел работает весь отопительный период с максимальной эффективностью.

А как же быть в случае графиков с большей температурой, например 75/60°С, которые наиболее часто встречаются при радиаторном отоплении и в случае одновременного приготовления отопительным котлом горячей воды для бытовых нужд?

В этом случае эффективное использование теплоты конденсации возможно за время, составляющее около 97% длительности отопительного периода. Это относится к наружным температурам от -11 °C до +20 °C. Даже на установках с теплоносителем 90/70 °C и с режимом работы, при котором регулирование температуры котловой воды происходит в зависимости от наружной температуры, время использования теплоты конденсации составляет 80% длительности годового отопительного периода. Конечно, эффективность работы конденсационного котла здесь несколько хуже, чем для графика 40/30°С из-за меньшей разности между температурой обратного теплоносителя и точкой росы.

Характер изменения суммарной эффективности (КПД) конденсационного котла или системы «газовый котел+конденсационная секция «Тоталэко» представлен в диаграмме на рис. 3. Конечно, абсолютные значения КПД для разных конструкций и типов конденсационных котлов будут незначительно отличаться, но закон нелинейного изменения будет сохраняться. Как видно, наиболее эффективная работа конденсационного котла (максимальный КПД) достигается при низких температурах обратного теплоносителя (25–30°С) и нелинейно снижается с увеличением температуры обратного теплоносителя, претерпевая излом в точке росы. Далее, с ростом температуры обратного теплоносителя выше точки росы, эффективность конденсационной секции котла Kond_Kotli_Ris_3становится нулевой, т.е. режим конденсации отсутствует.

Рис. 3. Изменение КПД конденсационного котла в зависимости от температуры обратной линии

Пути повышения КПД

Эффективность работы конденсационного котла в системе без изменения отопительных приборов (радиаторов) может быть повышена за счет применения дополнительных водоводяных теплообменников в баках-накопителях с разделением температур. И возможно это только для конденсационных котлов с гидравлически развязанной конденсационной секцией (экономайзером) или с выносным конденсатором. На рис. 4 представлена гидравлическая схема такого конденсационного котла со встроенной конденсационной секцией. На изображении отсутствует бак-накопитель с возможностью отбора воды разной температуры, но его легко представить на примере высокой гидравлической стрелки с патрубками отбора на разных высотах.Kond_Kotli_Ris_4

Рис. 4. Гидравлическая схема котла со встроенной конденсационной секцией

В случае водоразбора из системы горячего водоснабжения происходит отбор воды с температурой 55–57°С из верхней зоны бака-накопителя, где устанавливается змеевик или бойлер ГВС, который нагревается самым горячим теплоносителем из котла (красный трубопровод). В этом случае на конденсационную секцию подается вода с самой нижней точки отбора бака-накопителя, где (в зависимости от конструкции бойлера и расхода горячей воды) температура воды не намного превышает температуру воды из водопровода (температура водопроводной воды 5–15°С в зависимости от погодных условий, системы водоснабжения и т.д.). На гидравлической схеме это синий трубопровод. В случае отсутствия расхода воды из системы ГВС, питание конденсационной секции происходит водой с этой же точки отбора бака-накопителя. При этом возможно некоторое уменьшение эффективности работы конденсационного котла вследствие увеличения температуры обратного теплоносителя, поступающего в конденсационную секцию. Сброс тепла, полученного в конденсационной секции и неконденсационных секциях, в этом случае происходит в среднюю часть бака-накопителя, в зону средних температур. Дальнейшее разделение слоев воды в баке по высоте происходит за счет естественной конвекции воды из-за разности в температуре и плотности.

До сих пор мы не касались расходов теплоносителей, предполагая, что в систему будут устанавливаться хорошо спроектированные и просчитанные специализированные конденсационные котлы. Но всегда есть дух изобретательства, свойственный странам с невысоким уровнем жизни. В таком случае, для эффективного использования тепла конденсации необходимо также помнить о соответствии расходов теплоносителей (дымовые газы и вода), которые определяются из баланса тепловых потоков.

Цена вопроса

Навскидку окупаемость применения конденсационной техники можно легко прикинуть исходя из следующих соображений:

  • НТС природного газа для расчета возьмем 10 кВт·ч/м3;
  • расход природного газа в месяц на отопление и приготовление горячей воды – 800 м3;
  • средний тариф за потребленный объем природного газа в месяц – 6,291 грн за 1 м3 (до 200 м3 природного газа в месяц – 3,6 грн. за 1 м3, свыше 200 м3 – 7,188 грн за 1 м3);
  • средняя эффективность (КПД) конденсационного котла за отопительный сезон – 102%;
  • средняя эффективность (КПД) неконденсационного котла за отопительный сезон – 92%.

Итак, разность потребления природного газа в месяц составит:

800 – (800 ⋅ 92%)/102%=78,4 м3.

Экономия в месяц равна 78,4 м3 ⋅ 6,291грн/м3 = 493,4 грн.

Теперь, выбрав необходимый конденсационный котел, можно определить его окупаемость по сравнению с существующим, либо проектируемым неконденсационным котлом.

Удачных инвестиций и правильных решений!



Оставьте комментарий