Отопление паркинга на базе каскада конденсационных котлов Viessmann

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. В данной статье мы рассмотрим один из примеров, когда правильно подобранная тепломеханическая схема позволила реализовать энергоэффективную систему отопления на базе каскада из конденсационного и традиционного котлов Viessmann.

Паркинг

Исходные данные

Рассматриваемый объект — многоуровневый паркинг с офисными помещениями, расположенный в Казани. В здании есть и система отопления, и ГВС, предусмотрена предварительная водоподготовка.

При проектировании системы теплоснабжения объекта была поставлена задача максимально снизить издержки на отопление, причём как в долгосрочной перспективе, так и на стартовом этапе.

Последовательная схема вместо параллельной

В условиях постоянного роста тарифов на газ и другие виды топлива становятся востребованы энергоэффективные виды теплогенераторов, и в первую очередь — конденсационные котлы. Теплообменник котла устроен таким образом, чтобы протекающий через него обратный теплоноситель способствовал образованию конденсата паров, содержащихся в продуктах сгорания газа. Как известно, в процессе конденсации пара происходит выделение тепловой энергии и котёл получает возможность использовать её для нагрева теплоносителя в теплообменнике. В результате за счёт дополнительного источника тепла КПД конденсационного котла превышает КПД обычной модели и топлива ему нужно меньше, чем традиционному для создания такого же количества полезного тепла.

Распределение температур в течение отопительного периода, Казань

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 — упущена. В частности, это относится к схемам с каскадами. Обычно котлы в каскаде подключают по параллельной схеме, которая, как правило, подразумевает использование подмешивающих насосов для каждого теплогенератора, а также общего, обслуживающего котловой контур. Такая схема при пиковой нагрузке диктует свои условия: оба котла должны нагревать котловую воду до максимальной температуры, чтобы не только обеспечить всех потребителей теплоносителем, но и защитить себя от образования конденсата. Всё это ведёт к усложнению обвязки и увеличению затрат на топливо и электроэнергию для обслуживания оборудования.

В свою очередь, конденсационные котлы не только не боятся конденсата, а наоборот, они используют его для увеличения тепловой мощности. Это позволяет отойти от параллельной тепломеханической схемы и обратиться к последовательной. Именно такую схему применили для теплоснабжения данного объекта. Рассмотрим, как она работает и какие преимущества даёт.

Система отопления

Требуемая тепловая мощность котельной паркинга — 2000 кВт. Для её обеспечения были установлены два котла Viessmann — Vitocrossal 200 CM2 мощностью 620 кВт и Vitoplex 100 PV1 мощностью 1700 кВт.

Котельная: вид изнутри. Котлы — Vitocrossal 200 CM2 и Vitoplex 100 PV1 в каскаде

В качестве ведущего котла в системе выступает Vitocrossal 200 CM2 — современный конденсационный котёл, КПД которого может достигать 109 % (Hi). Он оснащён долговечной цилиндрической горелкой из жаропрочной нержавеющей стали. Горелка поддерживает широкий диапазон модуляции пламени — от 20 до 100 %, что позволяет котлу вместо частых включений и выключений работать в постоянном режиме, модулируя свою мощность в зависимости от потребностей.

Из нержавеющей стали выполнен и теплообменник Inox­Crossal — этот материал устойчив к влиянию кислот, образующихся при конденсации дымовых газов. У теплообменника противоточная конструкция — продукты сгорания проходят через него сверху­вниз, в то время как обратный теплоноситель движется снизу­вверх. Такое строение обеспечивает более эффективный теплообмен. Кроме того, стекающая вниз конденсатная плёнка способствует само­
очищению поверхностей теплообменника. Vitocrossal 200 CM2 не нуждается в ограничении 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 PV1. Это модель традиционного типа, потому требующая определённых условий эксплуатации. В частности, защиты от подачи теплоносителя слишком низкой температуры — во избежание образования конденсата. Vitoplex 100 PV1 играет роль пикового котла — подключается тогда, когда мощности основного становится недостаточно для обеспечения потребностей здания в тепле.

Котловой контур Vitoplex 100 PV1 оснащён насосом. Он включается, только 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.

Тепломеханическая схема с последовательным подключением ведущего и ведомого котлов в котельной паркинга

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, контроллер включает второй, ведомый. Теплоноситель, уже частично нагретый в Vitocrossal 200 CM2, поступает во второй котёл. Vitoplex 100 PV1 догревает теплоноситель до необходимой температуры, после чего тот возвращается в подающую магистраль и далее — в систему отопления.

Для Vitoplex 100 PV1 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 задания каскадного контроллера и показаний датчика температуры подачи и организует циркуляцию теплоносителя через котёл, а также защищает его по температуре обратного теплоносителя путём подмешивания части подачи в обратную магистраль котла по псевдострелке, перемычке между подачей и обраткой котла. Вторая ступень заключается в отделении при необходимости контура ведомого котла от отопительных контуров, температура, при которой следует начать сепарировать контур котла от отопительных контуров, заложена в память контроллера. Здесь тоже задействована автоматика — она с помощью датчика, расположенного за узлом смешения, измеряет температуру обратного потока и, если та оказывается ниже допустимого значения, отделяет контур ведомого котла от остальной системы с помощью трёхходового клапана и включает горелку котла. В результате в условиях прекращения подачи холодного обратного теплоносителя и при работающей горелке температура воды стабилизируется. Когда она уже не представляет опасности для котла, контроллер возвращает трёхходовой клапан в обычное рабочее положение и поступление теплоносителя из котлового контура в систему возобновляется.

Котельная крупным планом: ведущий котёл Vitocrossal 200 CM2B (справа) и ведомый Vitoplex 100 PV1 (слева)

Для достижения максимальной эффективности работы котлов на объекте реализовали погодозависимое управление температурой подачи — эта функция уже предусмотрена в контроллере Vitotronic 300, которым оборудован 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 расход топлива) не требуется.

Энергоэффективность котельной

Чтобы понять, насколько выгодно использование предложенной схемы, произведём 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 40/30 оС составляет 109 %, при температуре 75/60 оС — 106 %, при 95/70 оС — 105 %. КПД Vitoplex 100 PV1, не использующего конденсационные процессы для получения тепла, составляет до 94 %.

Котельная расположена на крыше здания

Нужно также принять во внимание время, когда Vitocrossal 200 CM2 работает в одиночку или с поддержкой Vitoplex 100 PV1. Продолжительность работы котлов зависит от климатических особенностей региона — в нашем случае Казани. 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 оС Vitocrossal 200 CM2 работает один и с КПД до 109 %. Для Казани длительность этого периода может составлять до 53 % всего сезона. При температуре воздуха в пределах от –6 до –19 оС (42,2 % сезона) Vitocrossal 200 CM2 продолжает работать один, но уже с КПД до 106 %. И только при снижении температуры ниже –19 оС отопительная нагрузка так возрастает, что становится необходимым запуск второго, ведомого котла Vitoplex 100 PV1, который в текущих условиях работает с КПД 94 %. Нетрудно подсчитать, что второй котёл с более низким КПД эксплуатируется совсем немного времени — 4,8 % всего отопительного сезона. При таких условиях общегодовой КПД котельной достигает 106,7%. Во избежание большого перекоса мощностей котлов Viessmann рекомендует устанавливать модели примерно одинаковой мощности. При этом более вероятен другой вариант работы котлов, когда ведомый котёл начинает работать уже при достижении температуры –6 оС. В этом случае КПД котельной будет чуть ниже — 103,3 %. Но обе эти цифры недоступны при применении традиционных котлов с параллельным подключением (КПД такой котельной не превышает 94 %).

График затрат

Выгода от использования такой схемы хорошо видна и при расчётах затрат на котельную в долгосрочной перспективе. Котельная на основе традиционных котлов (Vitoplex 100) изначально обошлась бы дешевле — 3,1 млн руб. против 4,1 млн руб. для реализации последовательной схемы с использованием конденсационного и традиционного котлов. Однако уже спустя четыре года из­за высоких тарифов на газ суммарные затраты на неё (с учётом стоимости оборудования и расходов на топливо) начинают превышать затраты на котельную с Vitocrossal 200 CM2 и Vitoplex 100. За десять же лет, с учётом среднего коэффициента загрузки котельной 60 %, суммарные затраты на систему с Vitoplex 100 составят 36,9 млн руб., а на систему с Vitocrossal 200 CM2 и Vitoplex 100, при среднем КПД 103,3 % или максимальном КПД 106,7 %, — 34,9 и 33,9 млн руб. соответственно. Таким образом, дополнительные расходы при создании системы с последовательно подключёнными конденсационным и обычным котлами (а это около 1 миллиона руб.) за этот период времени окупаются в два­три раза за счёт более эффективной работы котельной.

Итоги

Для достижения высокой энергоэффективности системы не обязательно, 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 котлов была применена с 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.

Ильдар Галиев, руководитель филиала ООО «Виссманн» в Казани

Как давно основано представительство-филиал «Виссманн» в Казани?
Казанский филиал представлен с 2005 года.

Какие виды оборудования пользуются спросом в регионе?
Ввиду увеличения стоимости энергоресурсов и повышения грамотности заказчиков растёт доля продаж конденсационных котлов — как в коттеджном строительстве, так и в средних мощностях.

Как реализована сервисная поддержка Viessmann на местах?
В регионе работает развитая сеть сервисных центров, в том числе есть компании со стажем работы в отрасли более 20 лет.

Расскажите о наиболее интересных объектах, реализованных в последнее время.
Энергоэффективная котельная на 900 кВт в ЖК «Ёлки Парк» в Кирове, паровая котельная молочного завода в селе Калинино Высокорского района РТ, энергоэффективная котельная гостиницы Sky Lux в Набережных Челнах, водогрейная котельная санатория «Чувашиякурорт» в Чебоксарах.

Хочу также отметить, что силами филиала мы оказываем услуги шеф-проектирования, монтажа и пуско-наладки, сервисного обслуживания котельного оборудования. Участвуем в учебных процессах профильных вузов региона.

Статья опубликована в объединённом выпуске «Лето 2018»
журналов «Инструменты» + «Всё для стройки и ремонта» + «GardenTools»
серии «Потребитель».

Архив всех выпусков в pdf-формате смотрите здесь.

Сентябрь 2018 года