+7 (812) 309 18 21
 +7 (495) 103 43 43

Конденсационные газовые котлы плюсы и минусы

В сегменте автономных источников теплоснабжения газовые котлы, несомненно, являются наиболее распространенным типом оборудования и будут оставаться таковыми в обозримом будущем. Даже на фоне все большего развития альтернативных источников тепловой энергии: тепловых насосов и систем солнечных коллекторов. В большинстве случаев котлы, работающие на природном и сжиженном газе, остаются более выгодным с экономической точки зрения решением. Особенно это заметно в умеренных климатических зонах.

Целью данной статьи является рассмотрение конденсационных газовых котлов их плюсы и минусы. Будут рассмотрены как основные функциональные особенности данного класса оборудования, так и не всегда очевидные следствия использования таких котлов.

Газовые конденсационные котлы
 

Преимущества конденсационных котлов

В данном разделе будут перечислены основные преимущества применения конденсационных котлов. Важно подчеркнуть, что приведенные особенности, как и для любого технологического оборудования, следует рассматривать с точки зрения комплексного подхода.

Начнем, несомненно, с основной функциональной особенности, которая дала название данному классу оборудования — использование тепловой энергии, заключенной в водном конденсате, образующемся при сжигании топлива.
 

Конденсационные котлы принцип работы

Горение любого типа углеводородного топлива можно выразить в виде простой химической формулы. Мы рассмотрим ее на примере метана:

CH4 + 2O2 ? CO2 + 2H2O + Q

То есть продуктом реакции является углекислый газ, вода и тепловая энергия. Кроме того, помимо кислорода, в данном процессе участвуют другие газы, содержащиеся в воздухе. Но на данном этапе, с точки зрения химии, мы их рассматривать не будем. Полученное при сжигании тепло уходит на нагрев продуктов сгорания и перевод воды в газообразное состояние. Далее нагретые продукты сгорания передают энергию теплоносителю через контакт с поверхностью теплообменника. С физической точки зрения процесс передачи указанной тепловой энергии теплоносителю может происходить при различных условий.

Настолько различных, что исторически было введено два термина для порций тепла:

  • Низшая теплотворная способность — часть, идущая на нагрев газообразной составляющей продуктов сгорания. Для метана она составляет 35,8 МДж/м3.
  • Высшая теплотворная способность — то же, что выше, плюс энергия идущая на испарение воды, полученной при сгорании. Для метана — 39,8 МДж/м3.

И как раз тем, какую часть тепла котел способен передать теплоносителю, определяется его тип и эффективность. Если мы можем получить высшую теплоту сгорания — котел конденсационный. Эффективность характеризуется значением коэффициента полезного действия (КПД) и считается как отношение полученного тепла к теплотворной способности. И вот здесь снова проявляют себя исторический фактор — для определения КПД по умолчанию используется низшая теплотворная способность топлива, таким образом для конденсационных котлов значение данного коэффициента может составлять более 100 %. Значение в 11 %, которое обычно приводят, когда говорят о бо?льшей эффективности конденсационной техники, как раз получено из сравнения значений указанных теплот сгорания — 39,8 больше 35,8 на 11 %. Впрочем, в описаниях котлов могут быть приведены оба значения — КПД по высшей и низшей теплоте сгорания.

Конденсационные котлы принцип работы
Какое же основное условие позволяет работать котлу в конденсационном режиме? Для того, чтобы начался процесс конденсации воды, продукты сгорания необходимо остудить до так называемой точки росы. Для смеси газов, образующейся при сжигании метана данная температура составляет 55 °C при нормальных условиях. То есть за время прохождения продуктов сгорания через теплообменник конденсационного котла, они должны быть остужены от температур порядка сотен градусов Цельсия до порядка десятков градусов. Для соблюдения данного условия конструкция теплообменников обеспечивает максимальную поверхность контакта с газами и высокие значения получаемой энергии с единицы площади теплообменника. И, конечно, не стоит забывать о требуемом температурном графике системы потребителей, но данный момент мы подробно рассмотрим ниже. Так же конструкция конденсационных котлов предусматривает возможность отведения образующегося конденсата.
 

Практическое применение эффекта конденсации

Необходимо отметить, что указанные 11 % — это только максимальная разница между условно “идеальными” неконденсационными и конденсационными котлами. На практике, естественно, не существует котловых агрегатов, имеющих 100 % КПД по высшей теплоте сгорания. Борьба между конструкторами современных котлов идет именно в границах этих 11 %. Но при этом достаточно интересным следствием указанных выше особенностей технологии является то, что конденсационные котлы работают с бо?льшими значениями КПД даже в режимах, когда конденсат не образуется — за счет увеличенных поверхностей контакта и получаемого с единицы площади тепла. То есть итоговая разница между потреблением газа реальными конденсационным и неконденсационным котлом одного уровня может составлять и большую, чем 11 %, величину. В этом и есть одно из преимущества конденсационных котлов.

Конденсационные котлы эффективнее неконденсационных
Дополнительное увеличение КПД достигается за счет широкого диапазона модуляции горелки. В случае применения одного котла нижняя граница модуляции может достигать 20%, для многокотловых установок уменьшается в соответствии с количеством котлов. Повышение КПД достигается за счет меньшей температуры продуктов сгорания на низкой модуляции и, соответственно, меньшим теплопотерям с уходящими газами.

На нашей практике есть две удобные для сравнения котельные одной мощности, обслуживающие похожие системы мощностью в 1 МВт. Экономия для той из них, которая выполнена на основе конденсационных котлов составила 270 тыс.руб. в год, или 20% в расчете от затрат на неконденсационной котельной.

Для примерной оценки экономии от применения рассматриваемой техники можно ориентироваться на следующие цифры — с одного литра образовавшегося конденсата мы можем получить:

  • 550 ккал или 0,63 кВт*ч тепловой энергии;
  • 5,5 л воды, нагретой от 0 до 100 °С;
  • 8 л воды, нагретой на ?T=30 °C (то есть на ГВС);
  • 0,064 м3 сэкономленного природного газа или 0,1 л сжиженного;
  • 0,3 и 1,4 рубля экономии для каждого из видов топлива, указанного выше;
  • Отопление 1 м2 площади в течение 10 часов (в самое холодное время);
  • Отопление 10 м2 площади в течение часа.

Несомненно, эффективность применения оборудования определяется в большо?й степени применяемыми проектными решениями в целом. Далее, в этой статье "конденсационные газовые котлы плюсы и минусы", мы рассмотрим особенности и возможности проектирования систем с конденсационными котлами.
 

Высокая надежность конденсационных котлов

В предыдущем разделе были кратко указаны основные требования, предъявляемые к теплообменникам конденсационных котлов. Здесь мы рассмотрим основные следствия учета данных требований в конструкции котлов.
 

Используемые материалы для теплообменника

Химическая формула, приведенная выше в параграфе "конденсационные котлы принцип работы", учитывала только основные составляющие процесса горения. Сейчас самое время вспомнить другие компоненты, в первую очередь азот, содержащийся в воздухе, и соединения серы, которые присутствуют в топливе. В результате участия данных элементов в процессе горения образуются кислоты на их основе - серная, сернистая, азотная и азотистая. Соответственно, данные кислоты содержатся в конденсате. Таким образом, материалы, применяемые для изготовления теплообменника конденсационного котла, должны быть устойчивы к кислотным средам. Наиболее распространенные используемые металлы — алюминий-силикатные сплавы (силумин) и высококачественные нержавеющие стали.

Теплообменник конденсационного котла
Силуминовые теплообменники изготавливают методом литья с, возможно, последующей фрезеровкой. При изготовлении из нержавеющей стали используют сварку предварительно сформированных частей. В силу меньшей стоимости материала как такового и более дешевой технологии производства при готовых формах для литья, теплообменники из силумина обычно несколько дешевле, однако имеют значительно меньшую долговременную устойчивость к кислотному конденсату.

Теплообменники из соответствующей требованиям нержавеющей стали не подвержены химическому воздействию кислот. Как дополнительное следствие применения указанных материалов мы получаем повышение общей надежности изделия, в том числе по отношению к качеству и типу используемого теплоносителя.

Переменные и критические режимы работы

В силу того, что теплообменники конденсационных котлов изначально проектируются исходя из широкого диапазона температур теплоносителя (нижняя температура не ограничена) и высоких значений температурных напряженностей в топке теплообменника, на выходе мы получаем оборудование, которое устойчиво к резким сменам режимов работы и выходам различных параметров (температуры, расходы теплоносителя, давления) за допустимые пределы. Несомненно, компоненты безопасности оборудования, электронные и механические, в обязательном порядке предусматривают контроль за данными параметрами, но конструкция котлов обеспечивает дополнительную гарантию долговечности установки.
 

Современные проектные решения

Естественно, что применение конденсационных котлов предоставляет дополнительные возможности с точки зрения применяемых конструктивных и теплотехнических решений при проектировании котельных. Однако для реализации этих возможностей необходимо выполнить ряд дополнительных требований.

При этом стоит отметить, что большая часть этих требований позволяет так же увеличить эффективность работы котельных с применением неконденсационных котлов, но именно применение конденсационной техники раскрывает возможности в полной мере. То есть ориентировка на применение современного оборудования позволяет повысить уровень проектных решений в целом. Максимальная эффективность от современных проектных решений является отличным преимуществом конденсационных котлов.

Принципиальная схема теплоснабжения
Чертежи гидравлических схем на котлах HORTEK: Гидравлические схемы HORTEK.dwg

 

Тепловые параметры систем потребителей

Основной особенностью проектирования систем с применением конденсационных котлов является расчет на низкотемпературные графики потребителей для которых такие графики могут быть актуальны. В первую очередь к данным потребителям относятся системы радиаторного отопления, составляющие основную нагрузку для объектов жилой застройки.

Вообще говоря, энергоэффективность таких отопительных систем в любом случае выше на низкотемпературных графиках, но при использовании конденсационных котлов появляется дополнительная экономия топлива.

Необходимо отметить, что для средней полосы России обычно не требуется специального перерасчета систем отопления на указанные графики. Достаточно использовать режим погодозависимого контроля за температурой теплоносителя. То есть расчет системы проводится из условий теплопотерь в самую холодную пятидневку на высокотемпературный график 80/60 °C, но за счет автоматики большую часть года температура в подающем трубопроводе держится на уровне 60 °C. При этом будет обеспечен конденсационный режим работы котлов при отопительной нагрузке 90 % времени отопительного сезона.

Вспоминая теплые полы, которые уже давно стали стандартом комфорта в частном строительстве, можно сказать, что они являются идеальным потребителем для конденсационных котлов. В то же время экономия на топливе позволяет в короткие сроки обеспечить окупаемость данного вида отопления на фоне радиаторов. То есть конденсационные котлы и теплые полы можно привести в качестве прекрасного примера симбиоза источника и потребителя тепла.

Максимальная эффективность конденсационных котлов
Обращая внимание на системы приготовления горячей воды, нужно так же помнить о том, что есть некоторые особенности при организации их работы с рассматриваемым оборудованием. Основное отличие от радиаторного отопления заключается в том, что для нагрева питьевой воды до температур, требуемых согласно российским нормам, нужен высокотемпературный график. Таким образом для обеспечения максимальной эффективности работы конденсационных котлов требуется сократить время работы оборудования на приготовление ГВС. Решается данная задача применением буферных емкостей. Но здесь мы снова получаем ситуацию, когда данное проектное решение позволяет повысить эффективность и долговечность работы, в том числе котельных на основе неконденсационных котлов за счет обеспечения более плавной работы горелочных устройств. При этом стоит снова вспомнить о том, что даже в случае отказа от применения схем с буферизацией конденсационные котлы работают с большим КПД, чем неконденсационные.
 

Универсальность применения

Теплообменники современных конденсационных котлов, в основной своей массе, являются водотрубными. То есть имеют сравнительно малую массу как в наполненном, так и в пустом состоянии. Отдельные производители оборудования ставят себе уменьшение данных параметров одной из основных задач при проектировании котлов. Главная цель здесь - обеспечить универсальность применения оборудования с точки зрения места установки. В силу малого веса в наполненном состоянии оборудование оказывает минимальную нагрузку на несущие конструкции зданий, что делает конденсационные котлы идеальным решением при строительстве крышных котельных. Малый вес пустого котла так же способствует такому применению, так как зачастую позволяет обеспечить возможность транспортировки и монтажа агрегата без применения спецтехники.

Легкость, компактность и большая удельная мощность теплообменников позволяет создавать настенные котлы малого размера, способные обеспечить значительные тепловые нагрузки. Зачастую это позволяет реализовать на основе каскада таких котлов установку по габаритам значительно более компактную, чем с применением неконденсационной техники.

Конденсационные котлы Каскад конденсационных котлов HORTEK XL Конденсационные котлы конструкция

Экологичность

В мировой практике данный пункт считается одним из самых важных преимуществ конденсационных котлов, однако с нашей точки зрения является скорее приятным дополнением к факторам, перечисленным выше. Основных причин большей экологичности конденсационной техники две:

  • Меньшие температуры горения топлива за счет конструкции теплообменников и широкого диапазона модуляции мощности. Данный фактор снижает интенсивность химических реакций в процессе горения топлива, и, соответственно, общее количество образующихся вредных веществ.
  • Образование конденсата. За счет данного обстоятельства большая часть образовавшихся вредных веществ вместо выброса в атмосферу отводится вместе с конденсатом, где в последующем нейтрализуется.
     

Минусы конденсационных котлов

Объективных недостатков конденсационных котлов перед неконденсационными можно привести не так много.
 

Конденсационные котлы цена

Несомненно, главным сдерживающим фактором для распространения конденсационной техники является сравнительно высокая инвестиционная стоимость. Разница в цене между конденсационными и неконденсационными котлами одного уровня составляет, обычно, до 30%.

Однако, при долгосрочной оценке вложений системы на основе конденсационных котлов выигрывают по большинству позиций. Причем, как в бытовом, так и в промышленном сегменте. Основные причины были перечислены выше, повторим их кратко еще раз:

  • Среднегодовая экономия топлива до 20%;
  • Значительно более высокие сроки службы оборудования. Данный фактор особенно заметен при оценке времени окупаемости с учетом роста цен на газ;
  • Большая надежность узлов оборудования, и, соответственно, меньшие затраты на сервисное обслуживание.
     

Сравнительно высокие требования к проектным решениям

Как было отмечено выше, конденсационные котлы работают с бо?льшей эффективностью даже без применения специальных проектных решений. Но именно такие решения позволяют получить существенную экономию в долгосрочной перспективе. И отказ от их использования может привести к неверной оценке сроков окупаемости конденсационной техники.