Последовательная схема подключения котлов в современных котельных
Как нестандартное проектное решение может значительно повысить энергоэффективность котельной
В условиях постоянного роста тарифов на газ и другие виды топлива становятся востребованы энергоэффективные виды теплогенераторов, и в первую очередь – конденсационные котлы. Конденсационные технологии открывают широкие возможности для экономии ресурсов при отоплении объектов с любыми потребностями. Однако, чтобы использовать потенциал конденсационных котлов в полной мере, нужно выстраивать схему теплоснабжения с учётом их особенностей и в некоторых случаях отходить о тех принципов, к которым мы привыкли при использовании традиционного теплогенерирующего оборудования. И вот здесь кроется проблема для проектировщика в стремлении использовать что-то новое и боязнью в темноте неизведанного наступить на грабли. В данной статье мы рассмотрим один из примеров, когда правильно подобранная тепломеханическая схема позволила реализовать эффективную схему систему отопления на базе каскада из конденсационного и традиционного котлов Viessmann и попробуем рассмотреть вопросы как подбора котлов по мощности, так и расчета циркуляционных насосов применяемых в необычной для России схеме.
При проектировании системы теплоснабжения многоуровневого паркинга с офисными помещениями Заказчиком была поставлена задача максимально снизить издержки на отопление, причем как в долгосрочной перспективе, так и на стартовом этапе, поэтому в качестве теплогенераторов для котельной закладывался не каскад традиционных котлов - как недорогого решения, но относительно невысоким КПД в диапазоне 92-94% (Hi), и не каскад конденсационных котлов - как высокоэффективное решение с КПД на уровне 106-109% (Hi), требующее значительных инвестиций, а компромиссное предложение из комбинации конденсационных котлов в качестве ведущих и традиционного в качестве пикового.
Теплообменник конденсационного котла, выполненных ин нержавеющей стали, устроен таким образом, чтобы протекающий через него теплоноситель обратной магистрали способствовал образованию конденсата водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Как известно, в процессе конденсации пара происходит выделение тепловой энергии, и котёл получает возможность использовать её для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения. В результате, за счёт дополнительного источника тепла, КПД конденсационного котла значительно превышает КПД традиционных котлов, а это приводит к снижению расхода топлива при выработке такого же количества полезного тепла. Однако конденсационные котлы требуют и иного подхода к проектированию и эксплуатации систем отопления. Попытки использовать их в устаревших тепломеханических схемах, рассчитанных на применение традиционных котлов, приводят к тому, что потенциал конденсационных моделей не раскрывается полностью, а возможная выгода от экономии топлива будет упущена. В частности, это относится к схемам с каскадами котлов.
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. Именно такую схему применили для теплоснабжения данного объекта. 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. Рассмотрим, как работает эта схема, и какие преимущества она даёт.
Тепломеханическая схема котельной
Требуемая тепловая мощность котельной паркинга – 2000 кВт. Для её обеспечения были предложены два котла – Viessmann Vitocrossal 200 CM2 мощностью 620 кВт в конденсационном режиме работы и 575 кВт в не конденсационном режиме, и Viessmann Vitoplex 100 PV1В мощностью 1700 кВт. Таким образом установленная суммарная мощность котельной составляет от 2320 кВт до 2275 кВт в зависимости от температуры подачи теплоносителя потребителю. Температурный график отпуска тепла 95/70°С.
В качестве основного (ведущего) котла в системе выступает Vitocrossal 200 CM2 – современный конденсационный котёл, нормативный КПД которого достигает 109% (Hi). Котёл оснащен инфракрасной цилиндрической горелкой Matrix из жаропрочной нержавеющей стали. Горелка поддерживает широкий диапазон модуляции пламени – от 20 до 100%, что позволяет котлу вместо частых включений и выключений работать в стабильном режиме на пониженной мощности, сберегая как топливо, так ресурс оборудования. А также обладает очень низкими показателями выбросов вредных веществ - показатели выбросов NOx менее 55 мг/кВтч. Из нержавеющей стали выполнен и теплообменник Inox-Crossal – этот материал устойчив к влиянию кислот, образующихся при конденсации дымовых газов. У теплообменника противоточная конструкция – продукты сгорания проходят через него сверху-вниз, в то время как обратный теплоноситель движется снизу-вверх. Такое строение обеспечивает более эффективный теплообмен. Кроме того, стекающая вниз конденсатная плёнка способствует самоочищению поверхностей теплообменника. Vitocrossal 200 CM2 не нуждается в контроле протока и разности температур теплоносителя на подаче и в обратном потоке, что в полной мере было использовано при реализации системы теплоснабжения объекта.
Ведомый котёл в каскаде – Vitoplex 100 PV1В. Это классическая модель двухходового традиционного типа, требующая определённых условий эксплуатации. В частности, защиты от попадания теплоносителя слишком низкой температуры во избежание образования конденсата. Vitoplex 100 PV1В будет выполнять роль пикового котла и подключается только тогда, когда мощности основного котла становится недостаточно для обеспечения потребностей здания в тепле. Котловой контур Vitoplex 100 PV1B оснащён циркуляционным насосом. Он включается только тогда, когда автоматика, управляющая каскадом, принимает решение о включении пикового котла. А вот Vitocrossal 200 CM2, благодаря большому водонаполнению, в насосе котлового контура не нуждается – циркуляцию теплоносителя через него обеспечивают насосы отопительного контура.
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 в Vitocrossal 200 CM2, поступает во второй котёл. Vitoplex 100 PV1В догревает теплоноситель до необходимой температуры, после чего тот возвращается в подающую магистраль и далее – в систему отопления.
Для котла Vitoplex 100 PV1В также требовалось предусмотреть защиту от подачи прямого и обратного теплоносителя недостаточной температуры во избежание образования в нём конденсата. В данном случае реализована двухступенчатая защита с постоянной стабилизацией температуры прямого и обратного потока. Первая ступень основана на использовании котлового насоса, который включается по команде контроллера котла на основе показаний датчика температуры обратного потока. Вторая ступень заключается в непрерывном регулировании температуры потока обратной магистрали в зависимости от показаний датчика температуры, установленного на входе в традиционный котел. Если температура оказывается ниже допустимого значения, то с помощью установленного трехходового клапана контур котла начинает "отсекаться" от остальной системы, стабилизируя таким образом температуру обратки. Когда температура потока уже не представляет опасности для котла, контроллер возвращает трёхходовой клапан в обычное рабочее положение, и поступление теплоносителя из котлового контура в систему возобновляется.
Для достижения максимальной эффективности работы котлов на объекте реализовали погодозависимое управление температурой подачи – эта функция уже предусмотрена в контроллере Vitotronic 300, которым оборудован котёл Vitocrossal 200 CM2. Автоматика получает данные от датчика уличной температуры и в соответствии с заданной программой регулирует температуру подачи и управляет работой горелок – с тем, чтобы снизить мощность котлов в периоды потепления климата, когда высокая производительность, и соответственно, высокий расход топлива, не требуется.
Энергоэффективность котельной
Чтобы понять, насколько выгодно использование предложенной схемы, можно произвести расчёт её энергоэффективности. Тут важно учитывать, что КПД конденсационного котла напрямую зависит от температуры отопительной системы – его максимальных значений можно достичь при работе изделия в конденсационном режиме. КПД Vitocrossal 200 CM2 номинальной тепловой мощностью 620 кВт по низшей теплоте сгорания при температуре системы отопления 50/30°С составляет 109%, при температуре 75/60°С – 106%, при 95/70°С – 98%. КПД Vitoplex 100 PV1В, не использующего конденсационные процессы для получения тепла, составляет до 94%. Распределение мощности ведущего, конденсационного, и ведомого котла в общей необходимой мощности 2000 кВт, составляет как 28% и 72% соответственно. Данное распределение мощности не идеально, т.к. желательно чтобы доля конденсационного котла составляла около 50%. Для оценки эффективности также необходимо принять во внимание время, когда Vitocrossal 200 CM2 работает в одиночку или с поддержкой Vitoplex 100 PV1В. Температурный график показывает, что можно выделить по меньшей мере три периода функционирования 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, Vitocrossal 200 CM2 работает один и в полностью конденсационном режиме с КПД 109%. В регионе строительства котельной длительность этой части отопительного периода составлять около 53% всего сезона. 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 в режиме частичной конденсации Vitocrossal 200 CM2 продолжает работать один, но уже в режиме частичной конденсации с КПД около 106%. Положительность работы в этом режиме составляет около 42% отопительного сезона. И только при снижении температуры ниже -19°С отопительная нагрузка возрастает так, что становится необходимым запуск второго ведомого котла - Vitoplex 100 PV1В, который в текущих условиях работает с КПД 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 – 4,8% от всего отопительного сезона. А КПД ведущего Vitocrossal 200 снижается до 98%.
Таким образом, расчетное значение нормативного КПД котельной можно рассчитать по следующей формуле:
Но предыдущий вариант не учитывает не оптимальное распределение мощности устанавливаемых котлов. Если учесть этого фактор, то увидим, что мощности конденсационного котла достаточно для обеспечения нагрузок до достижения температуры уличного воздуха в -6°С. Таким образом, ведущие котлы работают до температуры -6°С с максимальным КПД, а при температуре ниже этого значения в котельной работают все котлы. Тогда КПД котельной будет составлять:
И в третьем случае три котла работают последовательно весь отопительный период (самый невероятный вариант, когда тепловые потери потребителя не зависят от уличной температуры):
КПДмin=0,28х106%+0,72х94%=97,36%
Таким образом, применив последовательную схему, мы можем значительно поднять КПД котельной и показатель может достигать значения от 103-105%, что значительно выше, чем при применении классических котлов с параллельным подключением.
Подбор котлового насоса традиционного котла в последовательной схеме
Очень важный момент при применении последовательной схемы подключения котлов - подбор циркуляционного насоса пикового котла. Рассмотрим этот в удобных относительных величинах без привязки к конкретной котельной.
Пусть требуемая мощность котельной составляет 1000 кВт.
Перепад температур подачи и обратки 25°С (95/70°С).
Имеется два котла по 500 кВт (без учета работы котла в конденсационном режиме или без него).
Котельная работает в погодозависимом режиме.
В технической документации Viessmann для подбора циркуляционных насосов существует рекомендация: «При запросе теплогенерации поступающий из Vitocrossal предварительно нагретый теплоноситель перекачивается насосом котлового контура через 3-ходовой смесительный клапан в Vitoplex. Там он догревается и возвращается обратно в общую подающую магистраль. Насос котлового контура подает весь теплоноситель установки, соответствующий разности температур для расчетной точки. Напор насоса котлового контура соответствует сопротивлению водяного контура от подключения подающей магистрали, через Vitoplex и до повторного входа в подающую магистраль установки»
Поэтому, в нашем случае, формула для расчета производительности насоса будет выглядеть так:
Гидравлическое сопротивление включает в себя сам котел, трехходовой и запорную арматуру и сопротивление трубопровода, показанного на рисунке.
А теперь рассмотрим варианты работы котельной в различные моменты отопительного сезона:
Вариант 1. Текущая мощность котельной 250 кВт. Заданная температура подачи 75°С. Ведущий конденсационный котел работает с указанной мощностью, традиционный пиковый котел выключен:
Вариант 2. Текущая мощность котельной 500 кВт. Заданная температура подачи 85°С. Ведущий конденсационный котел работает на максимальной мощности, традиционный пиковый котел выключен:
Вариант 3. Текущая мощность котельной 750 кВт. Заданная температура подачи 90°С. Ведущий конденсационный котел работает на максимальной мощности, традиционный пиковый котел работает с частичной мощностью:
Вариант 4. Текущая мощность котельной 1000 кВт. Заданная температура подачи 95°С. Ведущий конденсационный котел работает на максимальной мощности, традиционный пиковый котел работает на полной мощности:
Вариант 5. Котловый насос поставлен недостаточной производительностью. Vкотл2=17,2м3/час (Vкотл2=W*860/∆T=(500)*860/25= =17200 л/час). Текущая мощность котельной 750 кВт. Заданная температура подачи 90°С. Ведущий конденсационный котел работает на максимальной мощности, традиционный пиковый котел работает с частичной мощностью:
Условие выдачи потребителю требуемой температуры выполняется, но в связи с недостаточным протоком теплоносителя через традиционный котел на нем образуется излишний перепад температур в 6,25°С приводящий к снижению КПД данного котла. В среднем, при повышении температуры подачи традиционного котла на 10°С, КПД данного котла падает на 0,8%.
Вариант 6. Котловый насос поставлен недостаточной производительностью. Vкотл=17,2м3/час. Текущая мощность котельной 1000 кВт. Заданная температура подачи 95°С:
Условие выдачи потребителю требуемой температуры выполняется условно, т.к. в связи с недостаточным протоком теплоносителя через традиционный котел на нем образуется излишний перепад температур в 12,5°С потенциально приводящий не только к снижению КПД данного котла, но к срабатыванию защитной автоматики по перегреву теплоносителя в нем.
Что в итоге Мы получили?
Несмотря на то, что уже не приходится доказывать эффективность применения конденсационных котлов и их сфера применения в России с каждым годом становится все шире, сдерживающим фактором пока является по стоимость оборудования. Но, как в данном случае, на помощь может прийти автоматика и нестандартных подход к реализации проекта теплоснабжения объекта. Для достижения высокой энергоэффективности системы необязательно, чтобы все котлы в каскаде были конденсационными. Связка из одного конденсационного котла и одного традиционного уже даёт существенную экономию на топливе по сравнению с двумя параллельно подключёнными традиционными котлами, а стартовая стоимость такого комбинированного решения будет ниже, чем при реализации схемы с двумя конденсационными моделями. В данном случае мы рассмотрели объект, на котором последовательная схема из ведущего конденсационного и ведомого традиционного котлом была применена с самого момента постройки здания. Однако эта же схема может быть с успехом использована и при модернизации уже существующих систем отопления – для замены каскадов из традиционных котлов с параллельным подключением.
Теплообменник конденсационного котла, выполненных ин нержавеющей стали, устроен таким образом, чтобы протекающий через него теплоноситель обратной магистрали способствовал образованию конденсата водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Как известно, в процессе конденсации пара происходит выделение тепловой энергии, и котёл получает возможность использовать её для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения. В результате, за счёт дополнительного источника тепла, КПД конденсационного котла значительно превышает КПД традиционных котлов, а это приводит к снижению расхода топлива при выработке такого же количества полезного тепла. Однако конденсационные котлы требуют и иного подхода к проектированию и эксплуатации систем отопления. Попытки использовать их в устаревших тепломеханических схемах, рассчитанных на применение традиционных котлов, приводят к тому, что потенциал конденсационных моделей не раскрывается полностью, а возможная выгода от экономии топлива будет упущена. В частности, это относится к схемам с каскадами котлов. 
Чтобы понять, насколько выгодно использование предложенной схемы, можно произвести расчёт её энергоэффективности. Тут важно учитывать, что КПД конденсационного котла напрямую зависит от температуры отопительной системы – его максимальных значений можно достичь при работе изделия в конденсационном режиме. КПД Vitocrossal 200 CM2 номинальной тепловой мощностью 620 кВт по низшей теплоте сгорания при температуре системы отопления 50/30°С составляет 109%, при температуре 75/60°С – 106%, при 95/70°С – 98%. КПД Vitoplex 100 PV1В, не использующего конденсационные процессы для получения тепла, составляет до 94%. Распределение мощности ведущего, конденсационного, и ведомого котла в общей необходимой мощности 2000 кВт, составляет как 28% и 72% соответственно. Данное распределение мощности не идеально, т.к. желательно чтобы доля конденсационного котла составляла около 50%. Для оценки эффективности также необходимо принять во внимание время, когда Vitocrossal 200 CM2 работает в одиночку или с поддержкой Vitoplex 100 PV1В. Температурный график показывает, что можно выделить по меньшей мере три периода функционирования 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, Vitocrossal 200 CM2 работает один и в полностью конденсационном режиме с КПД 109%. В регионе строительства котельной длительность этой части отопительного периода составлять около 53% всего сезона. 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 в режиме частичной конденсации Vitocrossal 200 CM2 продолжает работать один, но уже в режиме частичной конденсации с КПД около 106%. Положительность работы в этом режиме составляет около 42% отопительного сезона. И только при снижении температуры ниже -19°С отопительная нагрузка возрастает так, что становится необходимым запуск второго ведомого котла - Vitoplex 100 PV1В, который в текущих условиях работает с КПД 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 – 4,8% от всего отопительного сезона. А КПД ведущего Vitocrossal 200 снижается до 98%.
В технической документации Viessmann для подбора циркуляционных насосов существует рекомендация: «При запросе теплогенерации поступающий из Vitocrossal предварительно нагретый теплоноситель перекачивается насосом котлового контура через 3-ходовой смесительный клапан в Vitoplex. Там он догревается и возвращается обратно в общую подающую магистраль. Насос котлового контура подает весь теплоноситель установки, соответствующий разности температур для расчетной точки. Напор насоса котлового контура соответствует сопротивлению водяного контура от подключения подающей магистрали, через Vitoplex и до повторного входа в подающую магистраль установки»
