Приготовление ГВС в котельных средней и большой мощности

В большинстве котельных, наряду с основной функцией теплогенерации на цели отопления или технологии, существует и, якобы второстепенная, задача в производстве горячего водоснабжения. В зависимости от тепловой мощности котельной, доля ГВС может превышать в несколько раз нагрузку на отопление, как например в бытовых теплогенераторных малой мощности, а может достигать и буквально доли процента в районной котельной, когда горячая вода нужна только для гигиенических целей обслуживающего и эксплуатирующего персонала, если рассматривать приготовление ГВС непосредственно в помещении котельной, а не в ИТП потребителей.

Конечно, первоочередной задачей становится правильный подбор котлов по мощности в котельной. Если требуемая мощность котельной составляет например 10 МВт, и из них только 500 кВт на нужды ГВС, то установка двух котлов по 5 МВт или трех котлов по 3,5 МВт, полностью покроет требуемую мощность котельной, но такой выбор может отрицательно сказаться на ресурсе котлов и горелочных устройств при работе в режиме приготовления ГВС. Котельное оборудование Viessmann, за счет своего большого водонаполнения и конструкции не имеет формальных ограничений минимальной мощности, но современное отопительное оборудование — это всегда комплекс устройств и в данному случае минимальная мощность определяется исходя из возможностей горелочного устройства. Так, например если на котел Vitomax 200-LW тип М62С 2900 кВт установить горелку ELCO EK EVO 7.3600 и найти рабочий диапазон модуляции горелки с учетом аэродинамического сопротивления котла, то получим следующую картину.

Рабочее поле горелки с нанесенными данными аэродинамического сопротивления котла на максимальной мощности 9,7 мбар при работе на природном газе. Максимальная мощность топки котла М62С мощностью 2900 кВт, согласно техдокументации, составляет 3150 кВт. Таким образом, минимальная мощность горелки на этом котле составляет примерно 600 кВт с учетом масштаба графика и снижения аэродинамического сопротивления котла при уменьшении мощности топки. И данный котел, а уж тем более котлы с мощностью 3,5МВт и 5МВт, в летнем режиме будут тактовать, уменьшая срок службы оборудования, снижая надежность отпуска тепла, и понижая КПД котельной за счет увеличения частоты предварительной и послеостановочной вентиляции (продувки) топки котла и газоходов.

Одним из решений этой задачи будет установка дополнительного летнего котла меньшей мощности, например, трехходовой котел Vitoplex 200 тип SX2A, тепловой мощностью 560 кВт. Если максимальная температура теплоносителя не превышает 95°С, то вместо традиционного котла Vitoplex, на данном примере, можно применить конденсационный напольный котел Vitocrossal 200, тепловой мощностью 500 кВт с рабочим давлением до 6 бар и с реальной глубиной модуляции от 100 кВт до максимума. И данное решение будет самым оптимальным так как под нагрузкой на ГВС понимается именно максимальные ее значения, а в реальности, ночью, она может составлять, и единицы киловатт, быть максимальной в утренние и вечерние часы, и быть средней в рабочее время. И в данном случае широкий диапазон модуляции мощности котла не будет лишним. Не стоит забывать, что при работе котельной на ГВС с применением скоростных теплообменников будет наблюдаться максимальное понижение температуры обратной магистрали в котлы, что заставляет включаться защитные, антиконденсатные механизмы котлов традиционной конструкции, но, наоборот, положительно влияют на КПД и «самочувствии» конденсационных котлов. Но этот вопрос мы рассматривали в предыдущей статье и не будем сегодня останавливаться подробнее.

Второй задачей при проектировании котельной является выбор способа нагрева хозяйственной воды, либо в емкостном водонагревателе, либо в скоростных теплообменниках. У каждого из этих способов есть свои достоинства и недостатки, но есть и некоторые ограничения, которые приходится учитывать при подборе.

 

1. Приготовление ГВС в емкостном водонаревателе.

Если мощность на ГВС не превышает 100 кВт или долговременная производительность составляет не более 28 л/мин горячей воды с температурой 60°С, то оптимальным решением по сложности реализации, стоимости и занимаемому месту в котельной, является применение емкостных водонагревателей (бойлера), выпускаемых компанией Viessmann под названием Vitocel 100/300-V. Емкость таких бойлеров может составлять от 160 до 950 литров.

Незначительно можно повысить эффективность емкостных водонагревателей при использовании двухзмеевиковых бойлеров Vitocell 100-B, изначально предназначенных для работы с двумя источниками тепла, например при использовании гелиоколлекторов, соединив верхний и нижний змеевик последовательно с помощью перемычки. В данном случае при подборе бойлера можно будет суммировать мощности змеевиков и показатели долговременной производительности.

Емкость таких бойлеров составляет от 300 до 950 литров. Допускаемая температура в контуре ГВС до 95°C, температура подающей магистрали греющего контура до 160°C. Рабочее давление в греющем контуре до 25 бар (2,5 МПа) для Vitocell 100-V и до 10 бар (1,0 МПа) Vitocell 100-B, рабочее давление в контуре ГВС до 10 бар (1,0 МПа). Тепломеханическая схема обвязки емкостных водонагревателей проста и незатейлива.

Особенностью работы автоматики Viessmann при приготовлении ГВС в емкостном водонагревателе является то, что запросом на начало нагрева горячей воды будет падение температуры в нем на 2,5°С от заданного значения, а условием снятия запроса на нагрев – превышение температуры на 2,5°С. Котлы получат задание поддерживать температуру теплоносителя на 20°С превышающую заданную температуру в бойлере.

Более подробную информацию о емкостных нагревателях Vitocell, вы можете почерпнуть в технической документации на портале Академии Виссманн: https://viessmann.academy/disk/content/domestic_hot_water_cylinders.html

2. Нагрев ГВС с помощью пластинчатого теплобоменника на отопительном контуре.

Если требуемая мощность на ГВС выше 100 кВт, что чаще всего в реальности и наблюдается в котельных средней и большой мощности, то уже применяют скоростные теплообменники с тепломеханической обвязкой как показано на нижерасположенном рисунке - подключение контура нагрева ГВС как отопителього контура со смесителем.

В данном примере контур ГВС обвязан как обычный отопительный контур, только с разделительными теплообменниками. Данный пример используется на большинстве котельных средней и большой мощности, но у нее есть некоторые недочеты с точки зрения энергосбережения и работы погодозависимой автоматики. При применении этой схемы даже при отсутствии реального отбора горячей воды, за счет работы насоса рециркуляции ГВС (насос К5), через теплообменники ГВС постоянно наличествует проток хозяйственной воды, и соответственно, наблюдается падение температуры на датчике температуры после скоростных теплообменников. А для котловой или каскадной автоматики, падение температуры на этом датчике как раз является сигналом запроса теплогенерации для котлов. Таким образом, в летнем режиме работы котельной, котлы пытаются восполнить тепловые потери контура рециркуляции ГВС, имеющего совсем незначительную мощность, которая в разы меньше, чем проектная мощность ГВС. И котел мощностью, например, 500 кВт включается для компенсации тепловых потерь в 10 кВт, что явно отрицаиельно влияет на его техническое состояние. 

В данному случае вырачают технические особенности котлов Viessmann - их большое водонаполнение. В данном случае, сами котлы выступают как буферные емкости запаса горячего теплоносителя. Особенностью работы автоматики Viessmann при приготовлении ГВС в скоростном теплообменнике (псевдоотопительный контур) является то, что сам контур остается всегда погодозависимым, и соответственно, заданная температура подачи этого контура будет коррелироваться с уличной температурой. Другой проблемой является, то, что для данного контура нельзя напрямую задать температуру подачи, а только фиктивную температуру в помещении и погодозависимую кривую, по которой контроллер рассчитывает температуру подачи в контур. Третьей проблемой является, то, что этот псевдоотопительный контур сам, автоматически, переходит в летний режим (т.е. выключается) когда температура на улице становится выше на 10°С, чем заданная фиктивная температура помещения. Поэтому приходится сначала устанавливать заданные температура, как дневные, так и ночные на максимальное значение в 37°С (для того чтобы контур не выключался летом), а потом наклоном погодозависимой кривой и ее уровнем добиваться получение нужной температуры подачи «отопительного контура» ГВС.

Так как этот контур всегда со смесителем, то котлы получат задание поддерживать температуру теплоносителя на 8°С превышающую рассчитанную температуру подачи после смесителя. Данное значение установлено по умолчанию, и если по расчету скоростного теплообменника на нем должен быть больший перепад температур первичного контура над вторичным, то данное значение можно изменить по вашему заданию.

3. Контур нагрева ГВС с помощью пластинчатого теплобоменника и буферной емкости ГВС

Штатным способом приготовления горячей воды, заложенным в алгоритм работы автоматики Viessmann, является схема со скоростным теплообменником и буферной емкостью ГВС. В этом случае для автоматики Viessmann данный контур действительно является контуром горячей воды с прямым заданием требуемой температуры без всякой погодозависимости и переходов лето/зима.

В системе подпитки буферной емкости холодная вода отбирается из нижней части буферной емкости 10 насосом подпитки 6, нагревается в скоростном теплообменнике 3 и возвращается в верхнюю часть буферной емкости 10. Чтобы не допустить нарушения термического расслоения в буферной емкости, насос подпитки емкостного водонагревателя 6 включается только после получения сигнала от температурного датчика 7 о том, что заданная температура достигнута. Смесительная группа 4 смешивает теплоноситель на первичной стороне в соответствии с заданной температурой контура. Основная нагрузка покрывается эксплуатационной мощностью скоростного теплообменника. В режиме пиковой нагрузки дополнительный объем горячей воды обеспечивается объемом буферной емкости. После окончания или во время водоразбора объем буферной емкости вновь нагревается с помощью скоростного теплообменника до заданной температуры. После полного нагрева подпитки (при перерыве в водозаборе) подпиточный насос буферной емкости 6 и циркуляционный насос греющего контура 5 в скоростном теплообменнике находятся в отключенном состоянии. В данной схеме рециркуляция ГВС идет не через скоростной теплообменник, а через буферную емкость и соответственно не требует постоянного поддержания высокой температуры греющего контура. В ночное время малый водоразбор будет покрываться запасом ГВС в буферной емкости без включения котлов, подогреваемой по мере расхолаживания. За счет большой разницы температур в контуре водоразбора ГВС – начальная/конечная температура подпитки (10/60 ºC) в греющем контуре устанавливается низкая температура воды в обратной магистрали, что способствует повышению степени конденсации при использовании конденсатной техники и при отсутствии разбора горячей воды ночью. Такие котлы в летнем режиме работы, нагрев горячую воду в буферной емкости, полностью выключают теплогенерацию, остывают до температуры помещения, понижая свои потери в окружающую среду. Традиционные котлы при этом поддерживают температуру теплоносителя на минимальном уровне, гарантирующем защиту от образования конденсата в топке и в трубах второго/третьего контура.

Как результат, данная схема значительно снижает количество включений и выключений (тактование) котлов и позволяет котлам работать в прямой зависимости от заданной температуры ГВС и реально полученным результатом. Котлы получают приказ поддерживать температуру теплоносителя на 20°С превышающую заданную температуру горячей воды только в момент падения температуры в буферной ёмкости на 2,5°С, в остальное время они работают по требованию погодозависимых отопительных контуров или переходят в режим ожидания. Готовые решения от Viessmann имеют наименование Vitotrans 222 с тепловой мощность: 80, 120 и 240 кВт при температурном графике 75/35°С. Максимальная температура теплоносителя (при схеме со смесителем) 110°C. Рабочее давление в контуре ГВС до 10 бар Полный комплект со смесительным трехходовым и электроприводом обеспечивает точное поддержание температуры в накопительной емкости также при меняющейся температуре подачи. Комплект Vitotrans 222 состоит из пластинчатого теплообменника, энергоэффективного насоса загрузки водонагревателя и энергоэффективного насоса загрузки теплообменника, запорной арматуры, предохранительного клапана (10 бар) для теплообменника (не заменяет предохранительный клапан для закрытых установок для приготовления горячей воды) и теплоизоляции. В качестве принадлежности поставляется смесительная группа в составе: 3-ходового смесительного клапана, сервопривода, датчиков и трубопровода. Данным решением приготовления горячей воды на основе скоростного теплообменника и буферной емкости ГВС может управлять любая погодозависимая автоматика котлов средней и большое емкости с общим названием Vitotronic и контроллерами отопительных контуров Vitotronic 200‐H. По желанию возможно программирование термической дезинфекции емкостного оборудования по недельному расписанию. Технические характеристики комплекта Vitotrans 222 При соблюдении заданных температур греющего контура и контура ГВС комплект теплообменника Vitotrans 222 можно использовать для нагрева воды в контуре ГВС общей жесткостью 7,2 °Ж (сумма щелочных земель 3,6 моль/м3). Более подробную информацию о Vitotrans 222, вы можете почерпнуть в технической документации на портале Академии Виссманн: https://viessmann.academy/disk/content/vitotrans_222_cvl.html

Третьим, штатным способом приготовления горячей воды в скоростном теплообменнике служит комплект Viessmann Vitotrans 353. В отличии от Vitotrans 222 — это полностью самостоятельное и комплектное решение. За счет того, что в нем нет запаса горячей воды, не требует проведения термической дезинфекции (функция антилегионелла). Vitotrans 353 служит для комфортного приготовления горячей воды по принципу проточного водонагревателя. Имеет встроенный, подключенный и отрегулированный контроллером для настройки нужной температуры горячей воды и термостатного управления опциональным распределительным комплектом обратной магистрали. Высокоэффективный пластинчатый теплообменник большого размера для низкой температуры обратной магистрали. Датчик объемного расхода для точного измерения расхода в контуре ГВС и подачи этой информации на встроенный контроллер, который регулирует по частоте вращения энергоэффективный насос первичного контура для получения и поддержания требуемых значений температуры горячей воды. Запорные вентили со встроенным обратным клапаном. Для типов PBMA/PBMA-S и PBLA/PBLA-S: возможна каскадная схема с макс. 4 одинаковыми модулями. Теплотехническая схема котельной на котлах Vitocrossal 100 CIB с приготовлением ГВС в комплекте Vitotrans 353, с буферной емкости теплоносителя, одним прямым контуром отопления и двумя контурами со смесителем.

Буферная емкость теплоносителя в данной схеме необходима для уменьшения тактования котлов, а также для поддержания котельной в режиме постоянной готовности в летнем режиме эксплуатации. Любой котел, даже самой современной конструкции, не может мгновенно, при появлении запроса на ГВС, включить свою горелку и выйти на рабочий режим, поэтому для исключения провалов в приготовлении горячей воды, в этот момент источником тепла становится горячий теплоноситель, запасенный в буферной емкости. Он же служит для согласования минимальной мощности горелочного устройства котла и текущего запроса на приготовление горячей воды.

Производительность водоразбора в таблице характеристик Vitotrans 353 даны с учетом установленной температуре горячей воды 45°C, при температуре подачи теплоносителя 60°C, и температуре холодной воды на входе 10°C. Максимальная температура в контуре ГВС до 75°C; температура подающей магистрали отопительного контура до 95°C; рабочее давление отопительного контура до 10 бар (1,0 МПа); рабочее давление в контуре ГВС до 10 бар (1,0 МПа); для нагрева воды общей жесткостью до 7,2°Ж (3,6 моль/м3). Более подробную информацию о Vitotrans 353, вы можете почерпнуть в технической документации на портале Академии Виссманн: https://viessmann.academy/disk/content/vitotrans_353.html

Оборудование Viessmann поможет Вам построить, на основе его котлов, автоматики и дополнительных систем, самое эффективное решение для удовлетворения потребностей в тепле и горячем водоснабжении.


В заключение, мы предлагаем Вам принять участие в заключительном 3 раунде нашей викторины. Для этого необходимо выполнить небольшое задание по текущему материалу.  Напомним, что по результатам выполнения заданий каждого раунда, так и в общем зачете будут разыгрываться памятные призы.

 

Коллектив Академии Виссманн