Эффективность и КПД водонагревательного оборудования. Особенности конденсатных котлов

Из школьного курса физики каждому из нас известно, что коэффициент полезного действия (КПД) всегда меньше 100%. Поэтому заявление некоторых фирм-поставщиков конденсатных котлов о том, что коэффициент полезного действия их оборудования достигает 109–111%, вызывают недоумение и недоверие покупателей.

Остроумный способ получения энергии

В целом, принцип работы любого конденсатного котла заключается в использовании помимо традиционной энергии теплообмена тепла, которое выделяется из дымовых газов при конденсации. Количество теплоты, получаемое при полном сжигании единицы топлива, включая долю, которая может быть освобождена при конденсации пара, называют «верхней» теплотой сгорания топлива. Количество теплоты без учета теплоты конденсации называют «нижней» теплотой сгорания. Если «нижнюю» теплоту сгорания принять за 100%, то «верхняя» для природного газа составит около 110%. В итоге получается, что конденсатный котел использует не только всю низшую теплоту сгорания (100%), но и теплоту конденсации (еще 9–11%).

Таким образом, использование скрытой теплоты конденсации может увеличить производительность тепла до 11% без увеличения расхода топлива!

При этом законы физики не нарушаются, ведь на самом деле КПД конденсатного котла меньше 100%, но поскольку во всем мире до сих пор КПД рассчитывается по низшей теплоте сгорания, то для правильного сравнения традиционных и конденсатных котлов КПД последних принимается равным 107–109%. Вот почему производители указывают для конденсатных котлов КПД свыше 100%.

Нередко у пользователей возникают опасения, связанные с тем, что при работе котла выделяется конденсат, который требует утилизации. Остановимся на этой проблеме подробнее.

Сценарии утилизации

В Европе решают проблему утилизации конденсата с помощью специальной системы канализации. В России пока ничего подобного нет, и вряд ли что-то изменится в ближайшее время. Поэтому, устанавливая обычный котел, пользователь сталкивается только с одной проблемой — избавиться от выхлопа. Конденсатный же рождает две: удалить продукты сгорания и конденсат. Причем если первая проблема давно решена, то вторая намного серьезнее, особенно в случае, если котел используется для поквартирного отопления. К тому же российские нормы не разрешают слив конденсата в канализационную систему, и если пользователь это делает, то только на свой страх и риск. Также нужно отметить, что при замене старой модели котла на конденсатную придется уменьшить поперечное сечение дымоходной трубы. При этом дымоход должен быть выложен сертифицированными трубами из пластмассы, керамики или стекла, чтобы оседающая в нем сконденсированная влага могла стекать, не нанося ему вреда.

Конденсатные котлы бывают разные: напольные и настенные. Последние получили широкое распространение в Европе и занимают около 70% рынка газовых котлов. В России они пока не слишком популярны по ряду объективных причин. Во-первых, это оборудование довольно дорогое, не каждый потребитель готов единовременно выложить кругленькую сумму, которая окупится только через достаточно продолжительное время, тем более что в нашей стране энергоносители стоят существенно меньше, чем в Европе, что увеличивает срок окупаемости котлов. Во-вторых, для реализации преимуществ от инновационной техники нужна определенная культура эксплуатации, а она у нас, к сожалению, еще не всегда на должном уровне. Так, рассмотренная выше проблема утилизации конденсата остается открытой.

Умному дому — умный котел

Безусловно, важным фактором эффективной работы котла или системы отопления является применение интеллектуальных устройств регулирования производительности. Интеллектуальная система управления, которой оснащен «умный» котел, способна изменять режим работы оборудования, учитывая индивидуальные потребности пользователя в комфорте. Тепловая нагрузка, температура наружного воздуха, уровень мощности котла — все необходимые параметры учитываются системой, и на основании этих данных принимаются те или иные решения.

Сегодня отопительные котлы снабжены разнообразными системами для автоматического функционирования, безопасности, адаптации к внешним условиям (например, жесткости воды, изменения давления или перепадов напряжения в электросетях). Интересный способ удаленного управления отоплением уже получил заслуженное признание пользователей не только Европы, но и России. При помощи специального электронного блока контроль работы котла можно осуществлять с мобильного телефона.

Особенности национального интеллекта

К отечественным особенностям проектирования и строительства «умных домов» можно отнести необходимость учитывать возможность частых сбоев и отказов в энергетических и газовых сетях, которые могут привести к неполадкам в работе электронной автоматики, в том числе и котельного оборудования. Это является сдерживающим фактором для развития строительства интеллектуального жилья в России. Один из вариантов решения проблемы бесперебойного электроснабжения — еще на стадии проработки инженерных систем предусматривать способы стабилизации напряжения и возможности работы оборудования в автономном режиме.
При низком давлении газа, обусловленном отсутствием своевременной модернизации сетей в соответствии с возросшим числом потребителей, производительность работы котла, как правило, значительно снижается. Эта проблема может отчасти сниматься в агрегатах с функцией пульсирующего горения (ПГ) или благодаря горелке с предварительным смешением первичного воздуха и газа.
По мнению первого заместителя директора ФГУП «КРЭМЗ» И. В. Щеколдина, используемая принципиально новая технология выработки тепла, достигнутые технические характеристики позволяют утверждать, что котлы пульсирующего горения являются одним из наиболее эффективных и безопасных средств решения задачи отопления. Всплеск интереса к ПГ приходится на 1980–1990-е гг. с развитием «малой» энергетики. И хотя в последние годы технические достижения в области исследования ПГ весьма значительны, до сих пор в мире насчитывается не более нескольких десятков видов серийно выпускаемого ПГ-оборудования, а в стоимостном выражении оно занимает менее 1% рынка.
Для большинства российских регионов характерна и проблема «жесткой воды», которая ведет к отложению солей жесткости на поверхности теплообменника, уменьшая его проходное сечение и ухудшая процесс теплообмена. И если для системы отопления применяют специально подготовленную умягченную воду, то для ГВС используются установки водоочистки и подготовки.

Эффективность

Понятие КПД котельного оборудования существенно отличается от понятия его эффективности. Эффективность системы отопления тем больше, чем быстрее производится теплообмен между энергоносителем и воздухом в помещениях. Именно поэтому, в соответствии с рекомендациями Министерства энергетики и Национального бюро по стандартам США, в инженерных расчетах принято рассматривать не величину КПД котлов, а коэффициент эффективности всей системы.
Ключевым фактором создания эффективной системы отопления является грамотное проектирование и профессиональный монтаж системы трубопроводов. Ведь каким бы совершенным ни был котел, эффективность его работы зависит от параметров системы отопления. Самое современное оборудование не сможет сделать систему отопления эффективной, если она основана на нерациональной схеме трубопроводов с неэффективной прокачкой воды.
Оценка эффективности отопительного оборудования простирается на всю цепочку — от источника теплоты через систему регулирования к отопительным приборам в помещениях. В зависимости от конкретного исполнения системы сумма потерь при распределении, регулировании и при транспортировке также может принимать высокие значения.
Естественно, что общая эффективность системы резко увеличивается, когда оборудование работает с наибольшим КПД — в этом случае эффективность сгорания топлива максимальна при любых уровнях тепловой нагрузки.

Чем холоднее, тем эффективнее

Известно, что чем ниже температуры отопительной системы, тем больше возможность использования конденсационного принципа. При эксплуатации конденсатного котла в рабочем режиме температур 80/60 °C происходит минимальная конденсация водяного пара, и эффективность котла колеблется около 98%. При этом разница эффективности по сравнению с классическим котлом (92%) не так велика. Иная ситуация будет при снижении температур отопительной системы, к примеру, до 50/30 0C.
Тогда в полной мере будет использован конденсационный режим котла, т. к.
произойдет значительная конденсация водяного пара и эффективность достигнет 106%. Таким образом, для наиболее эффективного использования конденсатного котла надо выбирать более низкие рабочие температуры отопительной системы.
Вице-президент по продаже и маркетингу Laars Heating Systems Co Билл Рут считает, что эффективность конденсирующих котлов — это только одно из преимуществ. Их установка в систему отопления может играть более важную роль. Стойкость котлов к тепловым ударам и способность принимать обратную воду с низкой температурой переводит конденсирующие системы в разряд самодостаточных, идеально подходящих для разветвленных гидравлических систем с холодным пуском.
Кроме того, по мнению менеджера по прикладным технологиям Laars Heating Systems Co Джоана Мишью, при совместной установке котлов каждый из них несет только часть тепловой нагрузки — это значительно увеличивает эффективность всей системы. Некоторые системы, эксплуатирующиеся при более высоких температурах, большую часть времени могут питаться от «основного котла», которым является конденсирующий котел, в то время как остальные котлы, несущие основную тепловую нагрузку, могут быть неконденсирующими.
О способах повышения эффективности систем отопления ведутся дискуссии не только среди профессионалов, но и среди владельцев частных домов. На просторах Интернета можно не только встретить интересные расчеты, советы и наблюдения, но и принять участие в обсуждении самых актуальных проблем эффективности водонагревательного оборудования.