Конденсационные отопительные котлы
Конденсационные отопительные котлы
Подборку фотообзоров, иллюстрирующих эту статью, объединяет одно - все они относятся к конденсационным отопительным котлам. Внешне они не сильно отличаются от обычных, но способны использовать тепло, выделяющееся при сгорании топлива, гораздо эффективнее. Значит, и отопление с их помощью может обойтись дешевле.
Однако при покупке таких котлов не всегда руководствуются только экономическими соображениями, хотя и о них не забывают. Даже сравнительно простые из них способны обеспечить высокий уровень комфорта. Впрочем, совсем уж "простой" техники среди таких котлов не встретить.
Не лишние проценты
Один из основных параметров любого отопительного котла - его КПД, то есть способность преобразовывать выделяющееся тепло в энергию, использующуюся непосредственно на отопление. И тут у разных видов котлов разные возможности. Эффективнее всего работают электрические котлы, их КПД близок к 100%: практически всё тепло, выделяющееся на нагревательном элементе, передаётся отопительной воде (или иногда антифризу, что в данном случае роли не играет).
С некоторыми допущениями можно даже считать, что КПД электрического котла равен ровно 100%. Небольшая часть энергии (в среднем 0,5-1 %), которая "уходит" на нагрев корпуса электрокотла, в конечном счёте всё равно пойдёт на отопление помещения. Но стоимость электроэнергии сравнительно велика, и такое отопление обойдётся весьма дорого.
Более дешёвые варианты - отопление сгораемым топливом: древесиной, углём или сходными материалами, дизельным топливом или газом (природным магистральным или сжиженным баллонным). И тут в любом случае неизбежны потери части энергии через дымоход. Для твердотопливных котлов они будут больше, их значение КПД - порядка 80%, для жидкотопливных и газовых - около 90%.
Более точные цифры зависят от разных факторов, но даже в сложных устройствах поднять КПД больше чем на несколько процентов невозможно. Для повышения КПД надо охладить дымовые газы до минимальной температуры и умудриться каким-то образом собрать и использовать их энергию. Но при охлаждении продуктов сгорания возникает конденсат - химически активный раствор кислот в воде. Вода, вернее, водяной пар, образуется при сгорании органики, кислота "получается" из примесей в топливе (всевозможные соединения серы, фосфора и прочих элементов).
Температура конденсации составляет примерно 56 °С (точка росы). Она не много зависит от внешних факторов (температуры, давления, влажности), но совершенно не связана с типом топлива: любое органическое вещество при сгорании даёт воду и углекислоту. Допускать образования конденсата в обычных дымоходах нельзя, следовательно, температура отходящих газов на выходе из дымохода должна быть заведомо выше, чем температура конденсации. Мало того, температура на выходе из котла должна быть ещё выше, ведь газы будут охлаждаться во время движения по дымоходу. Вот и получается, что из котла выходят газы с температурой 100-200 градусов, и использовать их тепло не удается.
Понятие "КПД" для котлов, работающих на сгораемом топливе, учитывает так называемую низшую теплоту сгорания - то тепло, которое выделяется при горении. Но есть ещё один фактор - высшая теплота сгорания. Вода при переходе из парообразного состояния в жидкое, то есть при образовании конденсата, выделяет дополнительную энергию, которую тоже можно направить на отопление. Правда, для этого нужно сделать так, чтобы процесс конденсации происходил в самом котле. Такое оборудование так и называется - конденсационные котлы.
Конденсационные отопительные котлы
В теории всё выглядит хорошо, но на практике нужно учитывать и "цену вопроса". Конденсационные котлы сложнее, а значит, и дороже традиционных (конвекционных). И для обоснования их эффективности сначала нужно провести финансовый "анализ". Что можно получить за счёт использования теплоты конденсации?
Теоретическое максимальное значение зависит от типа топлива. "Органика" - это соединения, состоящие в основном из углерода и водорода. При сгорании, то есть окислении углерода, образуется углекислота, водорода - вода. Следовательно, делаем вывод, что чем больше относительное количество атомов водорода в топливе, тем больше можно получить от эффекта конденсации.
Самое удобное в этом отношении топливо - водород. Кроме водяного пара, при его сгорании ничего больше не образуется. Но использовать его для отопления не удастся - просто неоткуда брать в таких количествах. Неплохи также газообразные углеводороды: метан, этан, пропан, бутан. Собственно говоря, природный газ, подаваемый в магистраль, - это смесь, в основном состоящая из метана; сжиженный, "в баллонах" - пропан-бутан. В более высокомолекулярной органике "процент водорода" уменьшается, следовательно, и конденсата будет меньше.
Можно посчитать теоретическую прибавку для любого вида топлива. Если низшую теплоту сгорания принять за 100%, то высыхая теплота сгорания для природного газа (метана) составляет примерно 111%, сжиженного газа - 109%, дизельного топлива - 106 %. Это теоретически возможный максимум, на деле надо учитывать ещё и то, что любой вид топлива состоит из немного разных углеводородов и содержит примеси. В принципе прибавку за счёт конденсации реально получить и от твёрдого топлива, но она будет ещё меньше.
Так что для газовых котлов использование конденсации выглядит более привлекательным, чем для жидкотопливных, и тем более для твердотопливных. На деле так оно и есть: на рынке "конденсационников" большую часть составляют газовые модели. Жидкотопливные тоже встречаются, но они сами по себе обычно используются в довольно мощных системах, а чем выше мощность котла, тем существеннее в денежном выражении экономия от конденсационной техники вместо традиционной.
Конденсационных котлов, работающих на твёрдом топливе, практически "следовые количества" (упоминания о таких есть, но их очень мало). Кстати, твёрдое топливо (за исключением разве что угля) имеет ещё один "резерв". Дрова, опилки, пеллеты (прессованные отходы деревообработки в виде гранул, используются для отопления), любой сходный сгораемый материал имеют собственную естественную влажность, достигающую десятков процентов.
При сгорании вода превращается в пар, отбирая тепловую энергию у топлива. В теории этот пар тоже можно сконденсировать с помощью дополнительного теплообменника, но на практике этим редко занимаются, усложнение системы не окупается. Впрочем, этот процесс, хотя и сходен с конденсацией, ею вообще не является, его лучше называть рекуперацией. По крайней мере на рынке отопительного оборудования для небольших объектов дела обстоят именно так.
У котлов, предназначенных для централизованного отопления, свои особенности, там экономическая выгода от каждого процента уловленного тепла составляет серьезные суммы, и с помощью дополнительных устройств стараются извлечь максимум тепловой энергии. Но мы будем рассматривать конденсационные котлы для индивидуального отопления, поэтому не стоит удивляться, что все котлы в прилагаемых фотообзорах - газовые.
Котёл "в разрезе"
Любой отопительный котел можно представить в виде системы, получающей, передающей и теряющей энергию. Получается она, разумеется, от сжигания топлива, теряется в основном "в трубу" (и немного на нагрев корпуса), а передаётся системе отопления - трубам, внутри которых циркулирует теплоноситель. Иногда в систему входит и "встроенное" горячее водоснабжение, но его пока учитывать не будем.
Если речь идёт о традиционном котле - все довольно просто. Одна камера с горелкой, один теплообменник, подсоединённый к контуру (или контурам) отопления. Никаких особых требований к такому устройству нет. С конденсационными всё сложнее.
Представим, что конденсационный котёл состоит из двух раздельных узлов. Первый - камера сгорания с теплообменником, в которой топливо просто сгорает, а газы охлаждаются до температуры выше точки росы (собственно, так и выглядят все конвекционные котлы). Второй узел - ещё один, на этот раз конденсационный, теплообменник, где происходит охлаждение газов ниже точки росы. Собираться в нем будет не только дополнительное тепло, но и конденсат, следовательно, нужна система его удаления.
Кстати, многие конденсационные котлы высокой мощности именно так и выглядят: камера сгорания отдельно, конденсационный узел - отдельно. Теплообменник, правда, обычно общий, вернее, "конденсационная" и "традиционная" его части соединены последовательно. Камера выполняется из жаропрочных материалов - чаще всего чугуна, конденсационный узел - из кислотостойких, обычно нержавеющей стали. В небольших котлах обе эти части объединены в единое целое, материал камеры в них - или нержавейка, или алюминиево-кремниевый сплав (силумин).
Чтобы конденсация успешно происходила в течении всего времени горения, нужно соблюсти обязательное условие. Конденсироваться пар должен именно в районе теплообменников котла. Позже, в дымоходе, нельзя - всё, что "прошло дальше", для отопления потеряно. Если котёл с раздельными "традиционной" и "конденсационной" зонами - то процесс должен происходить именно в конденсационном теплообменнике. Камера сгорания на воздействие кислот не рассчитана, начнёт портиться, да и сливаться конденсату в ней просто некуда.
Кстати, и дымоход должен быть выполнен из кислотостойких материалов: весь конденсат даже в близких к идеальным условиях в теплообменнике не соберётся, какая-то часть воды неизбежно будет конденсироваться в дымоходе. Именно поэтому у таких котлов горизонтальные участки дымоходов монтируют с небольшим уклоном "к котлу": капли конденсата, выпавшие в дымоходе, всё равно сольются обратно, к конденсатоотводчику.
Горелки у котлов любого типа могут быть модулируемыми, с возможностью плавного изменения мощности в процессе работы, или не модулируемыми, с фиксированной мощностью. Следовательно, регулировать работу любого котла можно, меняя либо мощность нагрева, либо частоту включения горелки. Для большинства современных котлов характерны именно модулируемые горелки: от системы отопления требуется разное количество тепла в разное время, и подстроиться тут проще всего, меняя мощность.
Никакая модулируемая горелка не способна работать во всём диапазоне мощности, "от 0 до 100 %". "По техническим причинам" он всегда ограничен, естественно, "с нижней стороны" (иногда горелки могут настраивать так, что при включении горячего водоснабжения их мощность в это время будет выше номинальной). У горелок конденсационных котлов разных производителей нижняя граница диапазона модуляции может составлять от 9 до 30%, у традиционных она обычно выше, в районе 20-40%. Если системе отопления требуется меньше энергии - горелка просто будет время от времени отключаться, "дожидаться", пока система остынет, и снова включаться.
У больших котлов используют и горелки с фиксированной мощностью (обычно одно- или двухступенчатые). Но они работают в других условиях, нежели "домашние": инерционность систем отопления велика, объём отопительной воды очень большой, после включения горелки она работает длительное время, чтобы нагреть всю воду. Во многих традиционных котлах используется открытая камера сгорания с забором воздуха из помещения. В конденсационных камера закрыта, воздух подаётся принудительно, причём пропорционально расходу топлива.
Очевидно, что за дополнительные проценты тепловой энергии, которые можно получить от конденсации, приходится расплачиваться. Техническая сложность возрастает, а значит, и стоит такой котёл дороже. Правда, и работает экономичнее. Если у обычных газовых КПД составляет примерно 90%, то у конденсационных может достигать и 108-110%. Правда, такой прирост получается далеко не всегда, это зависит еще и от системы отопления.
Как получить максимум?
Реальный КПД котла будет зависеть в первую очередь от системы отопления. Существуют два принципиально разных его типа. Низкотемпературное - для обогрева используются чаще всего теплые полы (реже другие устройства). Диапазон температур отопительной жидкости в такой системе - где-то от 30 до 60 С, "на выходе" из котла вода горячая, "на вход" поступает остывшая. Высокотемпературным системам, например радиаторам отопления, для эффективной теплоотдачи нужен более сильный нагрев, например до 80 °С, с тем, чтобы "к котлу" возвращалась вода с температурой в 50-60 °С. И эффективность работы котла зависит в первую очередь от того, какая температура воды "на входе". Если она составляет 30-40 °С - дымовые газы будут интенсивно охлаждаться с выпадением конденсата и выделением дополнительной энергии, при 50 С конденсация замедлится.
Если температура входящей воды будет выше, чем "точка росы" (примерно 56 С), - конденсации вообще не будет. Соответственно и КПД будет разным: скажем, для низкотемпературного отопления с температурами воды на подающей/обратной линиях 50/30 °С он может быть в районе 107- 109%, а у "горячих" систем (80/60 °С) - 97-98%. КПД также зависит и от того, насколько интенсивно "нагружен" котёл.
При работе на полную мощность он немного снижается, но тут разброс сравнительно невелик - буквально 1-2%. Понятно, что эффективнее всего использовать такой котёл в низкотемпературных системах отопления. Можно рассчитывать на экономию примерно 15 % топлива, в радиаторных - чуть более 5%. То есть для максимального использования возможностей такого котла нужно или строить новый дом сразу с тёплыми полами, или переделывать старый, меняя радиаторные системы на низкотемпературные. Второй вариант возможен разве что при масштабном капитальном ремонте.
Есть ли смысл ставить конденсационный котёл с радиаторными системами из-за экономии в 5 % - вопрос, который надо решать индивидуально в каждом случае. В сложных системах, например, возможны комбинированные решения: сначала горячая вода направляется в контур радиаторов, потом - в тёплые полы.
Для мощных систем конденсационные котлы удобно использовать в каскаде: несколько небольших вместо одного мощного. С наступлением холодов подключается один, потом второй и так далее. Тут и экономия на топливе и энергии, и меньший износ системы, и резервирование: один котёл в любой каскадной системе всегда можно отключить для обслуживания или ремонта. Даже если каскад состоит всего из двух котлов, временная "потеря" одного не приведёт к катастрофическим последствиям.
Для систем коллективного теплоснабжения есть ещё одно ограничение: в северных широтах зимой перепад температур на входе и выходе в котёл будет очень большим: много энергии будет уходить на обогрев теплотрассы, и при использовании низкотемпературных систем можно даже "заморозить" основную теплотрассу. При индивидуальном теплоснабжении таких проблем нет.
В общем, если речь идёт о выборе между конденсационным и традиционным котлом с точки зрения экономии средств - стоит провести предварительный расчёт: оправдает ли стоимость сэкономленного топлива высокую цену конденсационного котла. В России топливо пока стоит сравнительно недорого, но очевидно, что цены на него будут расти, и конденсационное оборудование окупит себя в ближайшем будущем. То есть главное преимущество "конденсатников" - экономия средств на отоплении "через несколько лет". Есть ещё экологический фактор (большая эффективность, меньше выбросы), но этот аргумент в нашей стране, к сожалению, не является весомым.
Классификация по...
В принципе любые товары выпускаются как минимум для трёх категорий покупателей. "Масс-сектор" предназначен для тех, кому достаточно и "подешевле". "Средний класс" - немного более дорогой товар с улучшенными потребительскими качествами. "Топ-сектор", или "премиум-класс" - название говорит само за себя. По уровню продаж всегда лидирует "массовый" товар, "премиум" покупают немногие, "средний", как и положено, находится посередине.
Применительно к сложной технике, каковой являются котлы, продукция этих трёх классов различается и возможностями, и ценой. Некоторые производители выпускают продукцию во всех ценовых категориях, другие обходятся одной-двумя. В фотообзорах всех котлов указан класс, к которому они относят свои модели. Конвекционные котлы, например, могут выпускаться в любой из этих категорий, но конденсационную технику относить к "массовым" товарам бессмысленно: для поддержания их работы приходится использовать довольно сложные электронные системы управления.
А раз в системе есть сложная электроника - можно "зашить" туда различные дополнительные функции: погодозависимое регулирование, программирование режимов работы, дистанционное или удалённое управление, возможность каскадного подключения и взаимодействия с другими теплогенераторами... Список возможностей "среднего класса" у всех производителей разный. Но если нужна максимально функциональная система - такое оборудование следует искать среди моделей премиального сегмента.
