Выбор настеннго конденсационного газового котла, подключение, расчет КПД, теплопотери, выбор дымохода

Применительно к рынку товаров длительного пользования в спор вступает ещё один фактор: стоимость владения, обслуживания и вообще затраты на эксплуатацию. Но чтобы определиться с выбором, надо представлять, какие предложения вообще существуют, и чем одно отличается от другого. Иногда разница есть, и довольно серьёзная.

Для отопительной техники этот фактор — один из самых важных. Берётся она надолго, стоит недёшево, причём затрат энергоносителей (другими словами, собственных средств) требует немалых, в итоге эти затраты окажутся во много раз больше стоимости самой техники. И даже выбор есть. Простой отопительный котёл стоит недорого, а отопительный конденсационный котёл обойдётся дороже. И покупатели найдутся на любой из них. Первые могут работать с КПД в районе 90 %, а вторые — до 110 %.

КПД 110 %? НИКАКОЙ ОШИБКИ!

Со школы всем известно, что коэффициент полезного действия любой системы не может превышать ста процентов. Равняться этой цифре он тоже не может: неизбежны всевозможные потери. Тем не менее применительно к конденсационным котлам часто можно встретить значение КПД порядка 106–109 %, иногда чуть больше или меньше. Ошибки тут нет, просто считают немного по-другому. Для объяснения этого явления нужно понимать, что можно получить от котла, и какие тут есть «подводные камни».

При сгорании любого органического топлива образуется водяной пар, углекислота и тепло. Если вспомнить школьные уроки химии, на ум придёт мантра: «плюс цэ-о-два, плюс аш-два-о». Потом, на следующих уроках химии, к этой формуле ещё добавляют слова «плюс ку». «Ку», т. е. Q — это выделившееся тепло. Этому Q мы можем сказать наше «ку» и присесть перед ним. Погреться.

Но данная формула, какие бы коэффициенты и цифры в неё не входили, полностью справедлива лишь до того момента, пока продукты сгорания (включая теплоту) ещё не разделились. Углекислый газ нас не интересует, а с водяным паром всё интереснее. При снижении его температуры начинается процесс конденсации — перехода пара в жидкость. И при этом, уже безо всякой химии, в соответствии с законами физики выделяется дополнительное тепло. Это так называемая скрытая теплота конденсации, она же высшая теплота сгорания (в этих двух определениях некоторые слова могут комбинироваться, смысл не изменится), которая не учитывается в простых расчётах и не используется в простых котлах конвекционного (традиционного) типа. Между тем её значение не так уж мало. Для природного газа (метана) высшая теплота сгорания составляет примерно 11 % от количества тепла, получаемого только при сгорании топлива (низшей теплоты сгорания). Для часто применяемого в системах отопления дизельного топлива прибавка составит около 6 %, для сжиженного газа (пропан-бутана) — 9 %. Эта теплота есть у всех видов органического топлива, но другие виды топлива, как жидкого, так и твёрдого, дают ещё меньшую прибавку. Найти данные и по высшей, и по низшей теплоте сгорания несложно, по крайней мере для топлива с однородным химическим составом. Так что с учётом высшей теплоты сгорания КПД установки, работающей на органическом топливе, вполне может быть выше 100 %. Если, конечно, установка способна «собрать» это тепло и эффективно его использовать.

ГДЕ ЭТО РАБОТАЕТ?

Чтобы использовать скрытую теплоту сгорания топлива в любой установке, нам сначала нужно знать, зачем оно нам может понадобиться. Здесь в основном применим принцип «чем мощнее устройство, тем больше смысла в усложнении системы». А сжигают топливо почти исключительно для трёх основных целей: перемещения, выработки электроэнергии или отопления. В первых двух смысл в сборе этого тепла есть только, когда речь идёт об очень больших установках, а третий вполне годится и для «частника».

В транспортной сфере, скажем, у автотранспорта (в котором тоже используется сгораемое органическое топливо) теоретический выигрыш мизерный: КПД двигателя внутреннего сгорания далёк от 100 %, большая часть энергии тратится на нагрев самого двигателя, который надо ещё и охлаждать. В таких условиях пытаться утилизировать теплоту конденсации бессмысленно, даже теоретическая прибавка никому не нужна. Система отбора тепла конденсации ДВС имеет смысл только для каких-то очень больших моторов, например судовых корабельных установок: расход топлива большой, тепла выделяется много, в том числе и с выхлопными газами. Собрать его и использовать для каких-то дополнительных целей вполне реально, хотя и потребуются дополнительные устройства.

На энергетических установках большой мощности (например, ТЭЦ или электростанциях иных типов) — то же самое: смысл в сборе и применении максимального количества всех видов энергии появляется с возрастанием масштабов, т. е. мощности. Пусть даже основная цель — выработка электроэнергии, а это тепло, как в случае с генераторными установками, — побочный продукт. С помощью различных способов ему можно найти применение.

А вот с системами отопления всё немного иначе. Если топливо сжигается для того, чтобы «погреться», логично, что собирать его можно «по максимуму». В дело пойдёт всё. Даже если речь идёт об отоплении совсем небольших масштабов, например частных домов. Есть ряд ограничений, но использовать конденсационные котлы для этих целей вполне реально и экономически выгодно. Конечно, и тут чем больше мощность (и расход топлива), тем больше можно получить выгоды. Однако делать системы домашнего отопления рентабельно только в случае, если для обогрева используется газ или жидкое топливо. Для твёрдотопливных котлов использование высшей теплоты сгорания проблематично: её попросту очень мало. Правда, при применении твёрдого топлива есть одна маленькая хитрость. Упомянем о ней позже.

КАЧЕСТВО ТОПЛИВА

Реальный КПД любого котла будет зависеть от многих факторов, и качество топлива — тот параметр, которым пользователь управлять не может. В самом топливе этих примесей немного, в сумме — всего несколько процентов, Но учитывать их приходится. В природном газе больше всего метана, в меньшем количестве встречаются пропан и бутан, в сжиженном основной компонент — смесь пропана и бутана, дизельное — смесь более тяжёлых углеводородов. Помимо этого, любое топливо содержит некоторое количество молекулярного азота, кислорода, воды. Эти компоненты влияния на горение не оказывают, считаются «балластом». К вредным примесям относятся, прежде всего, соединения серы, азота, фосфора. В следовых количествах встречаются и иные вещества. Кстати, в воздухе для горения они тоже есть, хотя и в незначительных количествах. Эти соединения в основном не горят, тепла от них ждать незачем, но они могут вступать в химические реакции в процессе горения. Если речь идёт о традиционном котле — при нормальном качестве топлива концентрация «активной химии» на воздухе окажется настолько незначительной, что и говорить о ней незачем. Другое дело, если котёл конденсационный: эти вещества будут аккумулироваться в конденсате вместе с водой. В итоге вместо воды мы получим химически активную смесь. Отсюда возникают две проблемы: в обычном котле и его дымоходе образование конденсата недопустимо, а в конденсационном все элементы, на которых образуется (и по которым удаляется) конденсат, должны быть устойчивы к его длительному воздействию.

Что же касается твёрдого топлива, получаемого из растительного сырья, то в его состав обязательно входит вода: влажность может составлять десятки процентов. При горении немалая часть энергии расходуется на нагрев и испарение этой воды. Теоретически, если её сконденсировать, можно получить дополнительную энергию. Но на практике, по крайней мере в системах домашнего отопления, это слишком сложно. Автоматически дозировать подачу твёрдого топлива нельзя, эффект будет невелик. Исключение — пеллетные котлы, топливом в которых служат древесные гранулы. Но и среди них конденсационные модели практически не встречаются. К тому же эти котлы правильнее называть рекуперационными: в таком конденсате практически нет воды, образовавшейся при сгорании топлива, основной вклад вносит вода, которая «уже была». Конечно, в больших системах рекуперацию применяют, но это не котлы, а отдельные от них устройства.

ПОТЕРИ ТЕПЛА В КОТЛЕ

Рассмотрим любой конвекционный отопительный котёл. Какой — неважно. Если принять количество тепла, выделившегося при сгорании топлива в котле, за 100 %, тепловой баланс будет выглядеть примерно следующим образом.

Основная часть тепловой энергии пойдёт туда, куда нужно — на нагрев жидкости в системе отопления. Некоторая уйдёт «в трубу» и будет безвозвратно потеряна. Ещё какая-то часть энергии израсходуется на нагрев корпуса котла. Не всегда можно считать её потерями, ведь сам котёл стоит в котельной, на кухне или в жилом помещении. Это тепло всё равно пойдёт на обогрев, разве что управлять им мы не сможем. В конце концов в сельской местности и сейчас не редкость стальные или чугунные котлы вообще безо всякой облицовки, эдакий симбиоз дровяной печи и жидкостной системы отопления. Но даже в случае современного газового отопительного котла его КПД будет составлять порядка 90 %. Увеличить КПД можно, но всего на несколько процентов.

В принципе чем сильнее охлаждаются дымовые газы в котле, тем больше энергии будет использовано по назначению. Но чем «холоднее» выходящие газы, тем сложнее «отобрать» у них тепло. Система усложняется, а добавка небольшая. А ещё нам надо учесть, что котёл может работать при разной температуре воздуха, в разных режимах, но дело в том, что ни в дымоходе, ни тем более в самом котле процесса конденсации быть не должно. Напомним, что конденсат химически довольно активен, а материалы конвекционного котла и тем более дымохода не рассчитаны на взаимодействие с ним. Температура газов на выходе из котла может составлять порядка 150–200 °C, у старых моделей — выше, у некоторых современных (низкотемпературных) — ниже, около 100 °C. Остальное тепло в буквальном смысле слова «улетает в трубу». Разумеется, конденсация происходит где-то «после дымохода», но нам от этого никакой пользы. Впрочем, вреда тоже нет.

У конденсационных котлов в этот тепловой баланс добавляется энергия высшей теплоты сгорания. Всю её, естественно, тоже собрать не удастся, какие-то потери будут и тут. Полностью «осушить» дымовые газы нереально. Зато добавится некоторое (хотя и небольшое) количество тепла от более сильного охлаждения дымовых газов. Потери через корпус самого котла, в общем, тоже есть резон уменьшить, используя улучшенную теплоизоляцию (как минимум не хуже, чем на традиционных котлах). Дело ещё и в том, что конденсационный котёл обычно имеет больше «шумных» элементов, чем обычный. Шум от горелки, насосов и вентиляторов как раз легко снизить с помощью теплоизолирующего кожуха.

В сумме КПД такого котла вполне может оказаться на уровне 108–109 % (при работе на природном газе), ведь температура дымовых газов на выходе окажется достаточно низкой. Разница в использовании тепла в сравнении с традиционным котлом может составлять примерно 15 %. Правда, это только в теории и при соблюдении ряда условий. При работе котла в системах отопления нужно рассматривать их совместно.

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ КОТЕЛ И ОТОПЛЕНИЕ. МАЛЕНЬКАЯ ХИТРОСТЬ

Здесь для начала представим, что котёл состоит из двух раздельных блоков сбора тепловой энергии (на самом деле это не всегда так, по крайней мере в системах индивидуального отопления). Первый блок по своим функциям полностью аналогичен традиционному котлу: горелка, камера сгорания и некий теплообменник. Требование, по большому счёту, тут только одно — жаростойкость. Конденсат заведомо не образуется, беспокоиться о коррозии узла незачем. Горячие газы попадают во второй блок — теплообменник, где интенсивно охлаждаются и в котором выпадает конденсат. Здесь, во‑первых, температура ещё достаточно высока, а во‑вторых, материал должен быть кислотоустойчивым, ведь конденсат представляет собой слабый, но всё же раствор кислот, да ещё и довольно горячий.

Чем больше тепла отберётся в этом, втором теплообменнике, тем эффективнее работает котёл в целом. А для этого хотя бы «на пальцах» надо составить ещё один баланс. Задача теплообменника (точнее всё-таки двух, надо учитывать и тот, который есть в первом блоке) — отобрать некое заданное количество тепла. Его величина вполне определима, она соответствует текущей потребности для отопления (и приготовления горячей воды, если такая задача ставится).

На входе в теплообменник у нас есть горячий газ, на выходе он должен охладиться. В водяном контуре — наоборот: на входе холодная вода (или антифриз), которая это тепло заберёт. Мы можем манипулировать только количеством тепла, т. е. подачей топлива, сжигаемого горелкой. Больше нечем: конструкцию теплообменника или системы отопления «на ходу» мы изменить явно не в силах, даже насос или система насосов, которые перекачивают жидкость, имеют обычно фиксированную производительность.

Охладить дымовые газы мы можем единственным способом: забирая у них тепло и отдавая его котловой воде, входящей в теплообменник. И чем ниже её температура, тем больше удастся собрать тепла. Но эта вода пришла к нам из системы отопления, совсем уж холодной она быть не может по определению.

Тут придётся вспомнить о низко- и высокотемпературных системах отопления. Основные представители первых — тёплый пол, вторых — обычные радиаторы. Для первых типичная температура обратной линии (у котла она будет «входом») составляет около 30 °C. У вторых — 50 °C и более. Температура конденсации дымовых газов — 55–60 °C. Понятно, что в первом случае конденсация будет гораздо более эффективной, в теории — до 109–110 %. Ну а если температура жидкости в обратной линии совпадает или хоть немного выше температуры конденсации, рассчитывать на чудеса не стоит. В этом случае тот же самый котёл хоть и окажется более эффективным, чем традиционный, но выигрыш составит не теоретически возможные 15, а где-то 5 %, а КПД — в районе 96–99 %. Немало, если не принимать в расчёт усложнение системы. А если принимать, то стоит посчитать, насколько такой выигрыш экономически целесообразен.

Кстати, попутно можно сделать ещё один вывод: раз эффективность работы конденсационного котла очень сильно зависит от условий, а менять мы, по большому счёту, можем только подачу топлива — по сравнению с конвекционным котлом есть смысл использовать более сложные горелки и системы управления их работой.

УСТРОЙСТВО КОНДЕНСАЦИОННОГО КОТЛА

Котлы с двумя теплообменниками, основным и конденсационными, применяют нечасто. Это более характерно для некоторых достаточно больших и мощных моделей: конвекционная часть берётся от соответствующего котла, а «прикрутить» к ней конденсационный теплообменник — дело техники.

Если для традиционных котлов небольшой мощности чаще всего используют плоские теплообменники (взяли горелку от духовки газовой плиты, поставили на неё радиатор, «накрыли» сверху системой газоудаления — вот, в общем-то, и весь котёл), то для конденсационных характерен цилиндрический теплообменник. Горелка ставится с торца цилиндра. Разумеется, в конструкцию включаются устройства для сбора конденсата.

Открытые камеры сгорания для таких котлов не характерны, требуются закрытые. Горелки — с модуляцией подачи и топлива, и воздуха (технические особенности зависят от конструкции горелки). Материал теплообменника — чаще всего сплав кремния с алюминием (силумин) либо кислотоупорная нержавеющая сталь; горелки — нержавеющая сталь.

В остальном, если не считать более сложной системы контроля и управления, котлы не сильно отличаются от конвекционных. Размеры и внешний вид в одном диапазоне мощностей примерно одинаковы. Основное внешнее отличие — дополнительный выход для слива конденсата. Небольшие настенные модели чаще всего собраны по системе «всё включено»: в конструкцию входят расширительный бак, циркуляционный насос, датчики и расположенная в корпусе основная панель управления.

Если котёл двухконтурный, что часто встречается у сравнительно небольших моделей (разновидность исполнения), то теплообменник может быть битермическим либо раздельным. В битермическом теплообменники обоих контуров изготовлены в виде единого узла, трубки системы отопления и ГВС расположены коаксиально, одна внутри другой (внутренняя трубка относится к контуру ГВС). В раздельном вторичный теплообменник для приготовления горячей воды выполнен отдельно, его нагрев производится от первичного.

Котлы с битермическими теплообменниками дешевле, проще, но требуют высокого качества проходящей через них воды, иначе сечение трубок быстро зарастёт накипью и эффективность снизится. Раздельные теплообменники менее чувствительны к растворённым в воде солям, позволяют получить несколько большее количество горячей воды в единицу времени, но требуют введения в систему дополнительных элементов (самого теплообменника, трёхходового крана и устройств управления им), обойдутся они немного дороже. Обычно материал вторичного теплообменника — нержавеющая сталь.

Многие производители предлагают в качестве разновидностей настенные котлы со встроенным бойлером (правда, в этом случае котлы часто становятся напольными).

С возрастанием мощности котлов их всё реже оснащают дополнительными элементами арматуры: «угадать» параметры этих элементов в сложных системах отопления становится невозможным. В первую очередь из комплектации котла «исчезают» встроенный расширительный бак и насосная группа, ещё более мощные модели не комплектуют и панелями управления. Безусловно, всё это можно купить по отдельности, выбрав узлы, наиболее пригодные именно для конкретных объектов. Если нужно, многие котлы допускают возможность работы и с другими теплогенераторами: в каскаде с аналогичными котлами, совместно с солнечными коллекторами и т. д. Здесь всё точно так же, как и у котлов других типов.

Недавно на рынке появились циркуляционные насосы с регулируемой частотой вращения вала (и, следовательно, производительностью). До этого частоту вращения можно было менять только при сервисной настройке котла, и то не всегда. Насос — деталь не очень большая, но довольно дорогая в любом исполнении. Новинки стоят дороже обычных, к тому же требуют более сложных алгоритмов, чем просто «включил–выключил» (а значит, и управляющий контроллер должен поддерживать их работу). Их преимущества — пониженный уровень шума и потребления энергии и возможность более точной настройки необходимого протока жидкости. Можно предположить, что эти насосы в скором времени будут устанавливаться на большинство котлов, и в первую очередь на конденсационные.

ДЫМОХОДЫ

А вот дымоходы для конденсационных котлов должны отличаться от традиционно применяемых. Вспомним, даже при работе котла в режиме максимального сбора энергии, когда КПД почти не отличается от теоретически достижимого, какая-то часть конденсата всё равно не будет собрана и пойдёт дальше. А дальше у нас дымоход, который наверняка холоднее. Значит, конденсация продолжится в дымоходе. Вывод — дымоход должен быть из кислотоупорных материалов. Обычные материалы для «конденсационного» дымохода — кислотоупорная нержавеющая сталь или пластик. Часто встречается коаксиальное исполнение, когда одна труба вставлена в другую. Обычно их делают из пластмассы: температура газов не слишком велика, пластмасса может выдержать и больше. Конденсат пластиковому дымоходу тоже не страшен, заодно уменьшаются расходы на монтаж. Ограничение — длина коаксиального дымохода не должна превышать 3–5 метров. Обычно его выводят прямо в стену. Впрочем, и тут всё, как у других видов котлов: пластиковые дымоходы могут ставиться и на традиционные котлы. Но если в системе дымохода есть горизонтальный участок, по нему просто определить тип котла: у конвекционных котлов он должен иметь небольшой уклон «от котла», у конденсационных — «к котлу». Объяснение простое: если в дымоходе образуется конденсат, надо дать ему возможность для слива. Заливать конденсатом обычный котёл нет смысла, а конденсационный — нет никаких препятствий, всё равно он сольётся через конденсатоотводчик.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОНДЕНСАЦИОННЫХ КОТЛОВ

Конденсационные котлы для частного использования появились на рынке не так давно. В основном они выпускаются в Европе, продаются больше всего там же. Тут мы отстаём. И это очень хорошо.

В не слишком далёкие времена, когда топливо стоило копейки (и центы), смысла в конденсационных котлах для пользователей не было — их сложно было окупить. С тех пор ситуация немного изменилась: топливо подорожало. И в Европе, где значительно теплее, чем у нас, в массовом порядке стали ставить именно конденсационные котлы. Дело в расходах на отопление. В Европе газ для конечного пользователя стоит примерно раз в 5–10 (зависит от страны) дороже, чем у нас. Затраты получаются солидные, никакие разницы в зарплатах (не настолько большие, кстати) её не компенсируют. При такой цене газа и 15 % выгоды от использования «конденсатника», и даже 5 %, полученные «в худшем случае», быстро выльются в ощутимую сумму, которая покроет начальные затраты на покупку более дорогого котла. У нас, понятно, ждать экономии придётся дольше, поэтому популярны и традиционные, и конденсационные.

Экономический эффект от покупки конденсационного котла стоит ожидать в нескольких основных случаях. И тут снова справедлив принцип «чем мощнее (чем больше требуется тепла) — тем больше смысла». Лучше всего ставить его в новом доме, рассчитанном на постоянное проживание, причём чем севернее, тем больше эффект. Но надо смотреть средние температуры января в данной местности, в этом отношении с европейской частью России можно сравнивать разве что Швецию, Финляндию и Канаду, в остальных странах теплее. Чтобы получить максимальный эффект, в доме стоит организовать системы низкотемпературного отопления — тёплые полы. Заодно и запланировать пригодный для конденсационного котла дымоход в новом строительстве гораздо проще. Специально переделывать полы и дымоходы в обжитом доме обойдётся дорого — экономического смысла нет.

Последнее время появилась тенденция использовать конденсационные котлы в каскадных установках, когда вместо одного большого котла ставят несколько, меньшей мощности. Такие котельные очень компактны. Это удобно и тем, что один котёл должен работать весь отопительный сезон, а несколько — можно подключать по одиночке, по мере усиления морозов. К тому же повышается надёжность системы: если один котёл выйдет из строя, на время ремонта его можно отключить, и перевести нагрузку на оставшиеся. Для индивидуальных котельных особенных ограничений по географическому расположению нет. Сложнее с котельными большой мощности, рассчитанными на коллективное пользование. В очень холодную погоду вода даже в подземной теплотрассе может сильно охладиться, не дойдя до пользователя, поэтому низкотемпературное «коллективное» отопление у нас применимо далеко не везде, а в высокотемпературном режиме работа конденсационных котлов не очень эффективна. Поэтому в северных районах общие котельные оснащают традиционными котлами с высокой температурой подачи.

Хорошей возможностью сэкономить будет эксплуатация котлов с дополнительными системами контроля и управления. Это системы погодозависимого регулирования, дистанционного управления, настройки и программирования, устройства удалённого контроля, доступа и управления.

Ликбез опубликован в летнем выпуске журнала «Все для стройки и ремонта» серии «Потребитель» (ЛЕТО 2013)