Конденсационные котлы в борьбе за экономию энергоресурсов

На протяжении последних десятилетий, западный мир ведёт яростную битву за экономию энергоресурсов. Отголоски этой битвы всё слышнее и в России. Рост цен на энергоносители и увеличение числа индивидуальных застройщиков (наиболее динамичной части энергопотребителей), вызвали появление на отечественном рынке новой для России разновидности тепловых генераторов — конденсационных котлов.

Некоторые продавцы, ничтоже сумняшеся, объявили что коэффициент полезного действия этих чудо-котлов (КПД) достигает 107–109%, чем здорово отпугнули покупателей, которые сохранили остатки школьных знаний по физике. Действительно, КПД=109% звучит дико, особенно, если известно, что у самых продвинутых зарубежных котлов он не превышает 93%. Кто же прав, продавцы или скептики? Права, как всегда, физика, по законам которой КПД всегда меньше 100%. Для конденсационных котлов, КПД больше 100% получается при сравнении их с котлами других типов. Это чисто демонстрационный приём, который не имеет никакого физического смысла. Чтобы разобраться в этом, рассмотрим, какие процессы происходят в работающем котле.

Горит пламя, не чадит…

Как правило, нагрев теплоносителя в котле происходит за счёт горения топлива. Горение — это химическая реакция между окружающей средой, в данном случае воздухом, и реагирующим веществом — топливом, которая протекает с интенсивным выделением теплоты. В отопительных котлах в качестве топлива, чаще всего используют природный и сжиженный газ, или жидкое топливо — солярку и другие нефтепродукты. Основные компоненты газообразного или жидкого топлива — это углерод (химический знак С) и водород (Н2). Такое топливо называют углеводородным. В состав воздуха, подаваемого для горения, входят азот (N2) и кислород (О2). В результате реакции горения, наряду с выделением теплоты, образуются продукты сгорания — различные химические соединения. При горении углеводородного топлива, углерод (С), взаимодействуя с кислородом (О2), образует молекулу двуокиси углерода (СО2), а водород (Н2), взаимодействуя с кислородом, образует две молекулы воды (2Н2О). При высокой температуре эта вода находится в парообразном состоянии. При неполном сгорании топлива образуются оксид углерода (СО) и сажа (С). Кроме того, при горении углеводородного топлива образуются соединения азота (N2) c кислородом (О), которые называются оксидами азота (NОx). Продукты сгорания в виде горячих отходящих газов, проходят через теплообменник котла, где отдают большую часть своей энергии теплоносителю. Охладившись до температуры 100–160°С, отходящие газы через дымоход выбрасываются в атмосферу, унося часть неиспользованной теплоты. С отходящими газами уходит и водяной пар, образовавшийся в результате сгорания топлива. Этот пар уносит с собой скрытую энергию, которая рассеивается в пространстве и теряется. Если бы эту энергию удалось сохранить и вернуть в котёл, то система отопления получила бы дополнительное количество теплоты. Оказывается, такая возможность имеется, и она реализуется в конденсационных котлах.

Невозможное — возможно

Хорошо известно, что при охлаждении, пар превращается в жидкость — конденсируется. При конденсации освобождается определённое количество теплоты. Если конденсацию произвести в специальном теплообменнике, то теплоту можно вернуть в систему отопления. В этом и заключается принцип действия конденсационных котлов. Количество теплоты, которое может быть получено при полном сжигании единицы топлива, включая долю, которая может быть освобождена при конденсации пара, называют верхней теплотой сгорания топлива. Количество теплоты без учёта теплоты конденсации, называют нижней теплотой сгорания топлива. Если нижнюю теплоту сгорания принять за 100%, то верхняя теплота сгорания для природного газа составит 111%. Таким образом, использование скрытой теплоты конденсации может увеличить производительность тепла до 11% без увеличения расхода топлива. Чтобы было удобно сравнивать конденсационные котлы с обычными, КПД для конденсационных котлов рассчитывают на базе низшей теплоты сгорания, которая не учитывает скрытую теплоту конденсации. Например, в хорошем современном газовом котле только 93% энергии топлива передаётся теплоносителю. Около 1% теряется с лучистым теплом, 6% теряется с отходящими газами. В конденсационном котле лучистые потери остаются на уровне 1%, но в систему возвращается 11% неиспользованной теплоты конденсации. Кроме того, благодаря особой конструкции теплообменника, в конденсационных котлах полнее используется теплота отходящих газов. Потери её составляют не более 2%, что позволяет оставить в системе ещё 4% теплоты. При таких оговорках, КПД котла действительно может быть больше 100%, и достигать 93%+11%+4%=108%. Другими словами, это означает: если КПД обычного котла составляет 93%, то КПД конденсационного может быть на 15% выше. Так как расход топлива при этом остаётся прежним — налицо экономическая выгода от эксплуатации конденсационного котла.

Как это происходит?

Главным условием достижения высокой эффективности конденсационных котлов, является обеспечение наиболее полной конденсации водяного пара, заключённого в отходящих газах. Известно, что конденсация пара происходит на поверхности, температура которой ниже, так называемой точки росы. Для воды это около 50°С. Задача конструкторов конденсационных котлов заключалась в том, чтобы не дать отходящим газам с более высокой температурой выйти за пределы теплообменника. Для решения этой задачи разработаны специальные конструкции теплообменников, которые обеспечивают наиболее полный отбор тепла отходящих газов, снижение их температуры до точки росы и конденсацию содержащегося в них водяного пара. Освобождённая тепловая энергия (теплота конденсации) в итоге передаётся системе отопления. Для обеспечения конденсации пара в конденсационных котлах используется вода обратной линии отопительной системы. Очевидно, для того, чтобы конденсация произошла, температура обратки должна быть не выше температуры точки росы. Чем ниже температура системы, а, следовательно, температура воды в обратной линии, тем полнее конденсируется пар и тем выше КПД конденсационного кола. Так, например, если при температуре воды прямая/обратная 40/30°С КПД котла равен 108%, то при температуре 75/60°С он будет 104%. При температуре 90/70°C КПД будет ещё ниже — около 98%, но всё равно выше, чем у обычных котлов.

Достоинства конденсационных котлов не исчерпываются их высокой эффективностью. В конденсационных котлах используются высокотехнологичные горелки, которые обеспечивают приготовление топливно-воздушной смеси в оптимальных для данного режима горения пропорциях. Это сводит к минимуму вероятность неполного сгорания топлива. В результате, в отходящих газах значительно снижается количество вредных выбросов, в частности, опасного для здоровья оксида углерода (СО). Низкая температура отходящих газов, зачастую ниже 40°С, позволяет использовать дымоходы из пластмассы, что уменьшает затраты на их сооружение.

Чтобы счастье было полным

Каким бы совершенным не был котёл, эффективность его работы зависит от параметров системы отопления. Чем ниже температура подающей/обратной воды, тем полнее будет происходить конденсация водяного пара, и тем большая доля скрытой энергии конденсации будет возвращаться в систему. Чем больше дней в году будут соблюдаться эти условия, тем большую долю отопительного периода котёл будет работать в режиме конденсации (этот показатель называют коэффициентом использования котла). Оптимальный режим систем отопления для конденсационных котлов — температура 40/30°C. Это температура воды в напольных системах отопления или системах низкотемпературного панельного отопления. Режим конденсации в этом случае обеспечивается в течение всего периода отопления. Конденсационные котлы идеально подходят к таким системам отопления. В более распространённых радиаторных системах отопления, с температурой теплоносителя 75/60°С, эффективность котлов тоже достаточно высока. Только в наиболее холодные дни отопительного периода, когда требуется максимальная температура теплоносителя, температура обратной воды становится выше температуры точки росы и образование конденсата не происходит. К счастью, периоды с низкой температурой наружного воздуха для средней полосы России составляют не более 10% длительности отопительного периода, и 90% этого периода конденсация возможна. Следует подчеркнуть, что конденсационные котлы предназначены для работы с низкотемпературными системами отопления, и только сними, в полной мере, оправдывают своё применение.

Конденсационные котлы дают наибольший экономический эффект тогда, когда они применяются в совокупности с различными энергосберегающими мероприятиями. Важнейшими из них являются мероприятия по снижению теплопотерь зданий: использование эффективных теплоизоляционных материалов, установка энергосберегающих окон, рекуперационного вентиляционного оборудования и 
т. п. Большое значение приобретает правильный выбор автоматики управления работой котла. Так называемая, погодозависимая автоматика, обеспечивает плавное снижение температуры теплоносителя при повышении температуры наружного воздуха и наоборот. Это позволяет поддерживать температуру обратной воды ниже точки росы, делая процесс конденсации непрерывным. Для оптимальной эксплуатации газовых конденсационных котлов, очень важно, чтобы температура обратной линии не превышала 50°С и, чтобы разница температур между прямой и обратной линиями была не более 20°С. Пренебрежение этими условиями может привести к тому, что овчинка не будет стоить выделки.

При проектировании систем отопления с конденсационными котлами, необходимо предусматривать, чтобы температура обратной линии не повышалась в результате использования байпасных линий, четырёхходовых смесителей, гидравлических распределителей и других устройств, применяемых для регулировки теплового режима системы путём подмешивания горячей воды в холодную. Повышение температуры обратной линии приводит к смещению точки росы за пределы теплообменника и прекращению процесса конденсации. Не следует упускать из виду и проблему отвода конденсата. При работе конденсационного котла мощностью, например, 24 кВт, за год образуется 1200–1300 литров конденсата. Кислотность конденсат имеет небольшую, рН составляет 3,5–5,5 единиц, поэтому, при мощности котла до 50 кВт, его разрешается сливать в городскую канализацию.

Зарубежный опыт использования конденсационных котлов в системах отопления, убедительно показывает, что при их правильной эксплуатации, экономия расходов на топливо может быть весьма ощутимой. Принимая во внимание устойчивую тенденцию роста цен на природный газ, конденсационные котлы и в России, безусловно, имеют хорошие перспективы.

Одним из авторитетных производителей котельного оборудования на российском рынке является немецкая компания WOLF. В начале 2000-х компания представила на российский рынок новый конденсационные котлы . Это — высокопроизводительные конденсационные котлы для отопления помещений и горячего водоснабжения, работающий на природном или сжиженном газе. Котёл имеет закрытую камеру сгорания, оборудован вентилятором, модулирующим газовым клапаном, циркуляционным насосом, расширительным баком и необходимыми системами безопасности.