XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

На протяжении многих лет Россия является страной, где блага цивилизации доступны всем и предоставляются государством. В отличии от многих стран мира в Россия всегда стремилась к централизованному обеспечению своих граждан важными для комфортной жизни коммуникациями: водоснабжением, водоотведением, тепло и газоснабжением. Однако, высокие темпы урбанизации, когда в городах на сегодняшний день проживают более 75% населения страны, и год от года эта цифра только возрастает, приводят к тому, что инфраструктура снабжающих организаций не успевает увеличивать свои мощности в таком же объеме. Строится новое жилье, возводятся целые микрорайоны, а возможности их подключения к центральным сетям ограниченны недостаточной мощностью.

Этой проблеме в сфере теплоснабжения многоэтажных зданий нашли рациональное решение – автономные крышные котельные. Ошибкой многих проектировщиков, в самом начале применения такой схемы теплоснабжения было применение традиционных жаротрубных котлов, как это делалось в котельных привычных всем. Ошибочным такой выбор являлся по той причине, что срок службы жаротрубных котлов находится в пределах от 10 до 20 лет, а срок эксплуатации многоэтажного дома составляет от 100 до 150 лет, а при должном техническом обслуживании еще больше. Можно сделать вывод что за срок эксплуатации дома котельное оборудование придется заменить не менее 10 раз, а замена таких габаритных агрегатов, расположенных на большой высоте весьма затруднительна, в некоторых ситуациях может быть даже невозможна.

Еще одной причиной почему применение классических котлов в крышных котельных не является оптимальным решением является то что к примеру чугунные котлы требуют защиты от низкой температуры обратной магистрали, либо большого перепада температур между подачей и обраткой, а одним из важных преимуществ крышных котельных является сокращение теплопотерь в магистральных трубопроводах. Так же в котельных зачастую не реализовывалось погодозависимое регулирование отпуска тепла, что приводило к тому, что традиционные котлы загонялись в режим работы, когда дымовые газы начинают конденсироваться в дымоходе или в теле самого котла. Все эти незначительные в начале ошибки проектирования приводили к быстрому выходу котлов из строя.

Для того что бы не повторять одни и те же ошибки из проекта в проект в 2018 году появился СП 373.1325800.2018 «Источники теплоснабжения автономные. Правила проектирования». Он устанавливает требования по соотношению веса котельного агрегата к его мощности: п.6.8. «…Для крышных АИТ следует использовать агрегаты с нагрузочным весом не превышающим 1,5— 2 кг/кВт мощности, с учетом веса воды в рабочем состоянии, основное и вспомогательное оборудование которых может разбираться на малогабаритные узлы и блоки, транспортироваться и подниматься без использования большегрузных подъемных механизмов». Это требование практически полностью исключило возможность использования традиционных котлов при проектировании крышных котельных, так как теплообменники, выполненные из стали или чугуна, не позволяют им пройти под требование о соотношении массы к мощности.

По этой причине в настоящий момент наиболее эффективным и нормативно верным решением для крышной котельной являются конденсационные котлы. Отличие их конструкции заключается в особом устройстве теплообменника. Обратный (остывший) теплоноситель подается именно в ту зону котла, где проходят дымовые газы, уже отдавшие основную часть своей энергии теплоносителю системы отопления, и если теплоноситель имеет достаточно низкую температуру, то водяной пар, образующийся в процессе сжигания природного газа, конденсируется на поверхностях теплообмена, отдавая ему дополнительное тепло сверх того, которое выделяется в процессе горения. Таким образом существенно увеличивается КПД котла и снижается расход топлива, а также стоимость полученной тепловой энергии.

Технология проектирования конденсационных котлов позволяет получить дополнительную тепловую энергию, высвобождающуюся при фазовом переходе. В отличие от обычных котлов, в конденсационных агрегатах применяется большая часть скрытой теплоты парообразования. Фактически эта технология позволяет использовать уже не «низшую», а «высшую» теплоту сгорания, которая для природного газа, как правило, оказывается выше на 10–11 %, а для жидкого топлива – на 6–7 %. Именно такое количество дополнительного тепла можно получить, если температура продуктов сгорания снизится до точки росы. При этом количество образовавшегося конденсата в котлах, сжигающих природный газ, составит, примерно, 0,16 кг/кВт·ч, а при сжигании жидкого топлива – около 0,10 кг/кВт·ч. Понятно, что количество сконденсировавшегося пара будет определяться температурой циркуляционной воды, а приращение КПД в свою очередь количеством образовавшегося конденсата. На рис. 1 показано влияние температуры циркуляционной воды на количество конденсата и на КПД котла при сжигании в нем природного газа.

Рисунок 1 - Зависимость объема конденсата и КПД котла от температуры циркуляционный воды

Понятно, что эффективность конденсационного режима будет зависеть от схемы гидравлического подключения водогрейного котла и уровня температур в обратной магистрали. Если, например, система отопления рассчитана на низкие рабочие температуры, котел будет работать в конденсационном режиме круглый год. Но и в обычных радиаторных системах температура в обратной магистрали большую часть года оказывается ниже точки росы, и котел длительное время может работать в конденсационном режиме. На рис. 2 графически показан пример оценки дополнительного тепла, получаемого при различной температуре в обратной магистрали (данные Viessmann). Зеленая линия на графике – потери с уходящими газами при работе без конденсации (при температуре «обратки» 45 °С – 7,5 %); желтая – те же потери, но с учетом конденсации (при той же температуре – 1,9 %); синяя – дополнительное тепло, получаемое за счет конденсации (при температуре в обратной магистрали 45 °С – 6,2 %). И, наконец, красная кривая – общее дополнительное тепло, получаемое как от снижения потерь, так и от конденсации водяных паров. Количество дополнительного тепла для режима с температурой в обратной магистрали, равной 45 °С, можно подсчитать следующим образом:

6,2 + (7,5 -1,9) = 11,8 %.

Рисунок 2 - Оценка дополнительного тепла, получаемого при различной температуре в обратной магистрали

Следовательно, при таких условия эксплуатации конденсационный котел позволит сэкономить 11.8% природного газа, с учетом существующих цен на газовое топливо срок окупаемости составит от 2х до 4х лет, а с возрастанием мощности применяемого оборудования срок амортизации снижается.

Еще одним наиболее частым решением при проектировании крышной котельной является использование традиционного и конденсационного котла в каскаде.

Обычно котлы в каскаде подключают по параллельной схеме, которая для традиционных котлов, как правило, подразумевает использование подмешивающий насосов для каждого теплогенератора, а также сетевых насосов, обслуживающих как котловой контур, так и отопительный контур. При применении котлов с требованием к минимальному протоку приходится выполнять дорогую схему с гидравлическим разделителем, котловыми и сетевыми насосами и трехходовыми клапанами в котловом контуре. Такая схема при пиковой нагрузке диктует свои правила: оба котла должны нагревать котловую воду до максимальной температуры невзирая на то, что и у традиционных котлов происходит снижение КПД с увеличением температуры подачи, пусть и не очень значительное. А в остальное время отопительного сезона поддерживать температуру теплоносителя на относительно высоком уровне (60 – 75°С) чтобы защитить себя от образования конденсата в дымоходных каналах. Всё это ведёт к усложнению обвязки как котлов, так и отопительных контуров, и увеличению затрат на топливо и электроэнергию при эксплуатации оборудования.

В свою очередь, конденсационные котлы не только не боятся конденсата – наоборот, они используют его для увеличения тепловой мощности, и чем холоднее обратка, тем больше эффективность таких котлов. Это позволяет отойти от параллельной тепломеханической схемы и обратиться к последовательной. Также эта схема применяется в котельных, где стоит задача максимальной эффективности, и работа на резервном топливе. Если в качестве резервного применяется легкое или тяжелое жидкое топливо, то без традиционного котла не обойтись, потому что конденсационные котлы в большинстве своем работают только на природном или сжиженном газе.

Принцип работы такой схемы, следующий: ведущим котлом, является конденсационный, ведомым – традиционный, до тех пор, пока производительности ведущего котла хватает для покрытия потребностей здания в тепле, нагретый им теплоноситель напрямую поступает в распределительный коллектор системы отопления, минуя второй котёл. Однако при пиковых нагрузках, когда мощности ведущего котла становится недостаточно, каскадный контроллер включает второй, ведомый котёл. Теплоноситель, уже частично нагретый ведущим конденсационным котлом, поступает во второй, ведомый котел и уже там он догревается до требуемой температуры после чего попадает в систему отопления.

Так как при такой схеме необходимо предусматривать погодозависимое регулирование, то по температурному графику мы можем выделить три основных периода работы оборудования в различных режимах. Так, от начала отопительного сезона и до достижения температуры уличного воздуха -6°С, когда температура в подаче превышает точку росы продуктов сгорания, конденсационный котел работает один и в полностью конденсационном режиме с КПД около 109%. При температуре воздуха в пределах от -6°С до -19°С, когда температура подачи уже превысила точку росы, но температура обратки котельной все еще ниже и котел работает один, но уже в режиме частичной конденсации. И только при снижении температуры ниже -19°С отопительная нагрузка возрастает так, что становится необходимым запуск второго ведомого котла, который в текущих условиях работает с КПД около 94% (75/60°С, в дальнейшем принимаем, что КПД традиционного котла очень слабо зависит от температуры подачи). Нетрудно подсчитать, что второй котёл с более низким КПД эксплуатируется совсем немного времени – приблизительно 5% от всего отопительного сезона.

Таким образом заложив в проект каскад из конденсационного и традиционного котлов и применив к ним последовательную схему подключения мы можем значительно поднять КПД котельной, и этот показатель всегда будет превышать КПД котельной с классическими котлами, подключенными параллельно.

Список использованных источников

СП 373.1325800.2018 «Источники теплоснабжения автономные. Правила проектирования»

Энергоэффективность конденсационных котлов/ В. Котлер, к. т. н., В. Баторшин

Журнал «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ» №6 (39) 2016, тема номера модернизации теплоснабжения.

Как нестандартное проектное решение может значительно повысить энергоэффективность котельной. Академия Виссманн.