Насоси «Грундфос»

О конденсационном газовом котле – экономия газа при отоплении

С. Михненко, К. Волчинский

Конденсационная нагревательная техника, в которой, как следует из названия, используется явление конденсации, имеют доказанную большую эффективность, чем устройства прямого сжигания, где не используется скрытая теплота отходящих газов. Почему так? Как простыми словами объяснить потребителю эффект использования конденсации применительно к котлам? За счет чего появляется прямая экономия и уменьшение расхода энергоносителя, например, газа?

Использование тепла прямого сжигания органического топлива (например, дров в костре) сопровождает человечество с момента его появления. Можно даже сказать, что огонь и его сознательное «полезное» применение – одна из главных отличительных черт человека от животных. И с самого первого опыта применения тепла от огня возник вопрос эффективности использования топлива.

Доказанная эффективность полезного использования тепла от костра для приготовления пищи или обогрева – менее 4%. Газовая плита передает посуде не более 30% энергии, содержащейся в газе. Газовые отопительные водогрейные котлы (колонки) обеспечивают К.П.Д. максимум до 95%. Газовые отопительные конденсационные устройства могут «выжать» из газа 108% энергии, направленной на нагревание воды. За счет чего?

Первое – благодаря «концентрации» тепла, содержащегося в отходящих газах (дыме), для полезного теплообмена с теплоносителем (например, с водой для отопления или горячего водоснабжения).

Второе – уменьшение прямых теплопотерь самого теплоносителя. Это подобно тому, что кастрюльку с водой накрывают крышкой, чтобы сохранить тепло в ней, уносимое паром при закипании воды.

Третье – благодаря использованию скрытых, на первый взгляд неочевидных, эффектов, происходящих при сгорании топлива и переходе продуктов сгорания (газов) в другое агрегатное состояние – например, из газа (пара) в жидкость – т. е. при конденсации. Это похоже на вторую причину (накрывание кастрюльки крышкой), с той разницей, что при этом происходят дополнительные процессы.

Скрытая теплота

При сгорании органического топлива образуется водяной пар (наибольшая составляющая дымовых газов) и ряд других веществ в газообразном состоянии. Что происходит с жидкостью (водой) при нагревании, а также с водяным паром при охлаждении (процесс, обратный нагреванию)? Прояснить ситуацию поможет диаграмма на рис. 1.

Изображение настенный конденсационные котлы газовый котел Рис. 1. Скрытая теплота парообразования / конденсации

При нагреве воды (см. диаграмму):

  • А – В: происходит нагрев воды от температуры 0°С до температуры + 100°С (при этом все тепло, подведенное к воде, идет на повышение температуры);
  • В – С: происходит кипение воды (при этом все тепло, подведенное к воде идет на преобразование ее в пар, температура при этом остается постоянной + 100°С, в молекулах воды запасается «скрытая теплота» перехода в другое агрегатное состояние – жидкая вода в пар);
  • С – D: вся вода превратилась в пар (выкипела) и теперь тепло идет на повышение температуры пара.

При охлаждении (отборе теплоты) скрытая теплота парообразования наоборот выделяется из пара:

  • С – B: если охлаждать дымовые газы (синяя стрелка на рис.1, отбор тепла – процесс, обратный нагреванию), то при определенных условиях водяные пары начнут конденсироваться, при этом будет выделяться некоторое количество теплоты (скрытая теплота конденсации водяных паров), равное тому, что было затрачено на парообразование при нагреве, минус – незначительные потери.

Итак, если создать условия, при которых раскаленные газы, образующиеся при сгорании органического топлива (газа) и нагревающие воду в теплообменнике, не сразу удалять, а удержать их и создать условия, чтобы водяной пар в них начал конденсироваться, то можно использовать выделившуюся при этом скрытую теплоту – она направляется на предварительный нагрев воды. Тем самым энергия сгорания топлива используется намного полнее.

Необходимость создать дополнительный контур, где бы происходила конденсация, выделялась и полезно использовалась скрытая теплота, отразилось на принципиальном устройстве, отличающем традиционные газовые котлы от конденсационных, см. рис. 2.

Изображение конденсационный газовый Рис. 2. Принципиальное отличие традиционных и конденсационных газовых котлов

Чем больше водяных паров находится в продуктах сгорания, тем больше разница между высшей и низшей теплотой сгорания топлива (Qн и Qв), которая и определяет, сколько скрытой теплоты можно выделить при конденсации. Количество водяных паров, образующихся при сгорании, зависит от состава топлива. В газовом топливе (пропан, бутан, метан) разница между Qн и Qв составляет от 7,7% до 11,2%; при сгорании жидкого топлива (печной мазут, солярка, керосин) высшая теплота сгорания намного ближе к низшей – от 3,82% до 4,51%.

В целом процесс нагревания теплоносителя в обычном котле идет по следующей формуле:

CH4 + 2O2 (→горение→) CO2 + 2H2O (пар) + Qн;

T - дымовых газов = 140-180°С; Qн (низшая теплота сгорания) = 34 МДж/м3.

При использовании эффекта конденсации скрытая теплота поглощается вторым контуром теплообмена (предварительный нагрев воды), температура отходящих газов значительно снижается, а эффективность использования энергии, содержащейся в топливе, повышается:

CH4 + 2O2 (→горение→) CO2 + 2H2O (остаточный пар + жидкость) + Qк + Qн;

T - дымовых газов = 40-70°С; Qк (скрытая теплота при конденсации) + Qн = Qв (высшая теплота сгорания) = 38 МДж/м3.

При сгорании органического топлива также образуются агрессивные кислоты (соединения серы, азота, углерода прочие), поэтому конструкция конденсационного котла это учитывает. Зона конденсации и отвода кислотосодержащего конденсата изготавливается из кислотостойкого материала, например, из нержавеющей стали. Чтобы создать оптимальные условия конденсации нужно контролировать отток дымовых газов и их температуру. То есть, конденсационные котлы содержат определенный набор устройств для автоматического регулирования. Это все повышает стоимость конструкции. Однако автоматика позволяет также следить за составом топлива и подачей в зону сгорания оптимального количества воздуха в зависимости от качества газа.

Конденсационные агрегаты, как правило, работают в замкнутых системах – на вход для нагрева в котле вода поступает не прямиком от трубы с холодной водой, а после прохождения всей системы по обратной трубе («обратка»), рис. 3. Для этого в системе организуется принудительная, но регулируемая циркуляция, что выполняется благодаря т. н. циркуляционным насосам и системе управления ими. Эти насосы бывают со ступенчатым и плавным (бесступенчатым) регулированием. Чем ниже температура обратной воды в котле, тем больше выделяется теплоты от конденсации.

Изображение конденсационный газовый котел Рис. 3. Направление потока из обратной линии для конденсационного котла

Это также означает, что конденсационный котел «заинтересован» в том, чтобы отопительная или водогрейная система работала эффективно, чтобы выработанное тепло было максимально «снято» последующими теплообменными устройствами, а сам котел не производил избыточное тепло. Для этого автоматика должна следить за состоянием теплоносителя в самой системе, за его расходом, а также изменять («модулировать») мощность нагревания самим котлом, т. е. регулировать подачу сжигаемого топлива. Таким образом, чтобы оставаться в эффективном режиме конденсации, автоматика котла следит за эффективностью и экономичностью всей системы. Сравнительные испытания показали, что рядовые конденсационные котлы минимум на 15% эффективнее самых современных котлов традиционной конструкции.

Контроль эффективности сгорания в конденсационных котлах на разных режимах (изменение мощности в 10 раз) повышает К.П.Д, существенно увеличивает глубину использования энергии топлива, практически полностью устраняет выброс несгоревшего или не полностью сгоревшего топлива, в 5-7 раз снижает выброс летучих токсичных соединений или парниковых газов, а в целом – позволяет сэкономить до 35% газа за отопительный сезон, см. рис. 4.

Изображение конденсационные настенные двухконтурные котлы Рис. 4. Диаграмма эффективности традиционного и конденсационного котла на разных режимах

Особенно разница в эффективности видна, когда котел работает не на полную мощность – в «теплую» зиму или в межсезонье. При этом автоматика котла обеспечивает дополнительный комфорт как в смысле температурного режима в помещении, так и в смысле обслуживания и регулирования работы котла его владельцем.

Конденсационный газовый котел для индивидуальных потребностей

Что из себя представляют современные конденсационные котлы? Например, настенные газовые конденсационные котлы серии ALTEAS ONE от Ariston – это высоконадежная техника, качество изготовления и высокие характеристики которой подтверждены и сертифицированы авторитетной международной организацией TÜV Rheinland Group. Котлы имеют единичную мощность: 24, 30, 35 кВт, а также новый, запатентованный теплообменник XtraTech с гарантией на 10 лет* с увеличенной почти в 1,5 раза площадью теплообмена.

Автоматика котла обеспечивает высокую эффективность до 109,8% благодаря автоматической адаптации к параметрам газа, модуляции мощности 1:10, регулируемые насосы. Конструкция котла имеет высокую теплоизоляцию специальными панелями, которые также снижают шум.

Комнатный датчик контроля состояния среды в помещении CUBE и уличный датчик погодозависимого управления поставляются в комплекте с котлом. «Умное» погодозависимое управление поддерживается беспроводной передачей данных благодаря встроенной системой дистанционного управления AristonNet, кроме того поддерживается связь с другими системами автоматики для «умного дома» и климат-контроля по протоколу BusBridgeNet®. Автоматика имеет функции «Авто», «Комфорт» и возможности программирования для индивидуальной настройки, адаптации и оптимизации работы. Матричный дисплей, сенсорное управление с интуитивным меню размещены за стеклянной наружной панелью, что придает изделию с компактными габаритами (745 × 400 × 315 мм) современный внешний вид с дизайном в стиле «Hi-Tech», см. рис. 5. В целом ALTEAS ONE от Ariston – удачный выбор настенного газового конденсационного котла для бытовых целей.

Изображение настенный газовый конденсационный котел Рис. 5. Современный настенный газовый кондесационный котел ALTEAS ONE от Ariston

Конденсационный котел для коммерческого и коммунального применения

Настенное исполнение котлов выгодно также и для систем с более высокой мощностью. Это экономит площадь подсобных помещений, где располагается система отопления. Более мощные системы можно использовать для жилья, коммерческих целей – в гостиницах, ресторанах, офисных центрах, спортивных и общественных зданиях прочее.

Видео. Настенный конденсационный котел газовый

Важная особенность здесь – способность соединять котлы в каскад. При этом система в зависимости от погоды и от потребности в горячей воде способна отключать ненужные в данный момент котлы (следя за ресурсом и равномерностью эксплуатации каждого агрегата в каскаде), и, опираясь на глубокую модуляцию единичного агрегата, заставить всю систему работать в максимально эффективном и экономичном режиме.

Для этой цели как нельзя лучше подойдут котлы с единичной мощностью 45, 65, 85, 100, 115 и 150 кВт, см. рис. 6. Благодаря модуляции 1:4, погодозависимому управлению, эффективному и надежному теплообменнику из нержавеющей стали с увеличенным сечением, общий К.П.Д. единичного агрегата достигает 108%.

Изображение конденсационные настенные двухконтурные котлы Рис. 6. Котлы повышенной единичной мощности серии Genus Premium Evo HP от Ariston для работы в каскаде

Кроме того, в единый каскад можно подключить до 8 котлов и создать систему с установленной мощностью до 1200 кВт, устойчиво работающую при мощности от 37,5 кВт. LCD-дисплей с интуитивным меню, удаленное управление AristonNet**, поддержка сетевых протоколов благодаря BusBridgeNet®, функции «Авто» и «Комфорт», возможность совместной работы с другими системами «умного» управления позволят заказчику получить компактную систему отопления и горячей водоподготовки с максимально экономичными характеристиками по использованию газа. Системы с небольшой единичной мощностью котлов Genus Premium Evo HP (45-65 кВт) отличаются низким уровнем шума благодаря 2-х скоростному насосу.

Преимущества систем отопления и ГВС с газовыми конденсационными котлами очевидны для специалистов. Однако важно доступно объяснить потенциальному заказчику превосходство «конденсационники» в сравнении с традиционными газовыми котлами, обозначить простыми словами физические принципы работы этой техники.

*При условии ежегодного проведения ТО Авторизированным сервисным центром «Аристон».
**При условии единичного монтажа котла.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 3 206


Оставьте комментарий

Telegram