В обычных конвекционных котлах водяной пар выбрасывается в атмосферу с примесью кислот (углеродной, серной, азотной, фосфорной). Конденсационные котлы лишены этого недостатка: кислоты остаются в конденсате. Однако, учитывая проблемы с утилизацией конденсата, можно усомниться в пресловутой экологичности этих приборов.
Конденсационные котлы: принцип работы, виды, плюсы и минусы оборудования
Производители и продавцы уверяют нас, что газовые конденсационные котлы имеют фантастический КПД (коэффициент полезного действия) — до 110% — благодаря особому принципу работы. Для потребителя решающее значение имеют не столько цифры, сколько реальные характеристики приборов — эффективность, экономичность, надежность. Мы попытались разобраться в преимуществах и недостатках конденсационных котлов, рассмотрев принцип их работы, разновидности и стоимость.
Природный газ — самое дешевое и эффективное топливо, а его сжигание практически не наносит вреда окружающей среде. Поэтому неудивительно, что газовые котлы стали самыми популярными в этой категории приборов. Но традиционные приборы уже не полностью удовлетворяют потребителя. Пользователям индивидуальных систем отопления требуется еще более высокий уровень эффективности. Газовые конденсационные котлы — вот ответ.
Газовые конденсационные котлы спроектированы и созданы таким образом, чтобы извлекать максимум энергии из процесса сгорания. Чтобы понять, как это достигается, давайте рассмотрим отличия этого типа приборов от обычных газовых котлов.
Типичный газовый котел работает по следующему принципу. Горелка готовит газовоздушную смесь и подает ее в камеру сгорания. Тепло, выделяемое при сгорании топлива, поступает в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель (обычно вода). Он нагревается и циркулирует по трубопроводам системы, передавая тепло воздуху в отапливаемых помещениях.
В процессе сгорания образуются дымовые газы, которые выводятся в атмосферу через дымоход. Первоначально они имеют температуру около 200 °C. Благодаря постепенному высвобождению энергии в теплообменнике дымовые газы охлаждаются до 140 °C. Дальнейшее снижение температуры может привести к серьезным проблемам, таким как плохая тяга в дымоходе и конденсат на стенках дымохода.
Это означает, что огромное количество тепловой энергии буквально выбрасывается на ветер. Однако тепло, содержащееся в сточном паре, может быть использовано. Разработчики конденсационного котла сделали это возможным.
Установки такого типа оснащены дополнительным теплообменником. Здесь тепло извлекается из отходящих газов. Водяной пар охлаждается в камере конденсационного теплообменника и превращается в жидкость. Полученная энергия используется для нагрева теплоносителя. Это повышает эффективность работы котла.
Конденсационный теплообменник имеет сложную конструкцию. Для превращения пара в жидкость он должен достичь определенной температуры (так называемой точки росы). Для обеспечения этих условий необходимо использовать различные технические решения. Например, конденсационный теплообменник подключается к обратной трубе отопительного контура. Температура воды в нем достаточно низкая, чтобы охладить пар в точке росы. Она не должна превышать 50°C, иначе конденсация не будет происходить1. Известно, что чем ниже температура воды в отопительном контуре (а значит, и в обратном трубопроводе), тем эффективнее конденсация и тем выше КПД котла.
Хотя концепция конденсационного котла была разработана несколько десятилетий назад, она получила признание лишь недавно. Конденсат является агрессивной средой, и контакт с ним быстро приводит к разрушению металла. Долговечный и надежный теплообменник стал возможен благодаря использованию современных материалов с повышенной коррозионной стойкостью. Как правило, это высококачественная нержавеющая сталь или силумин.
Виды конденсационных котлов: какой лучше?
Котлы принято классифицировать по типу установки (напольные и настенные) и количеству отопительных контуров. Давайте теперь рассмотрим наиболее важные типы агрегатов.
Настенные и напольные конденсационные котлы
Настенные и напольные котлы различаются не только по способу установки, но и по мощности, размерам, трубопроводам и особенностям монтажа. Выбор того или иного варианта определяется в основном назначением.
- Настенный конденсационный котел имеет примерные габариты 800×500×400 мм и весит не более 50 кг 3. При этом все дополнительное оборудование (циркуляционный насос, расширительный бак, измерительные приборы и т.д.) часто входит в состав агрегата. Это позволяет сэкономить еще больше места при установке, а кроме того, упрощает монтаж. Настенные котлы выпускаются как с одним, так и с двумя контурами (об этом ниже).
- Конденсационные напольные котлы отличаются большими размерами и весом. Они занимают много места еще и за счет обвязки. Насос и прочее оборудование, входящее в состав системы отопления, обычно монтируется отдельно. Поэтому для установки напольного котла, как правило, требуется отдельное помещение. Преимущество котлов напольной установки — простота конструкции. В то же время они сложнее в монтаже. Напольные котлы в основном производятся с одним нагревательным контуром, то есть предназначены только для отопления.
Основным отличительным критерием между двумя описанными типами аппаратов является их мощность. Настенные котлы имеют меньшую мощность и не превышают 120 кВт. Такие агрегаты используются в квартирах, частных домах, загородных коттеджах и офисных зданиях. Напольные котлы имеют мощность до 1000 кВт и используются для отопления больших промышленных и торговых помещений.
Важно знать, что настенные конденсационные котлы благодаря своему высокому КПД намного эффективнее традиционных котлов. Поэтому, например, если вы хотите обогреть большой дом, в некоторых случаях имеет смысл выбрать настенный конденсационный котел вместо громоздкого напольного котла с традиционным принципом работы. Это экономит место, упрощает монтаж и снижает затраты на топливо.
Одноконтурные и двухконтурные конденсационные котлы
Одноконтурный конденсационный котел используется только для отопления, в то время как двухконтурный обеспечивает также горячее водоснабжение.
На первый взгляд, преимущество двухконтурных моделей очевидно, но на самом деле не все так однозначно. Давайте разберемся в преимуществах и недостатках каждого варианта.
- Двухконтурный котел имеет второй теплообменник, предназначенный специально для обеспечения горячего водоснабжения. Кроме того, он оснащен клапаном, который регулирует направление подачи теплоносителя. В зависимости от положения этого клапана горячая вода поступает либо в трубы отопления, либо в систему ГВС. Казалось бы, все очень просто и удобно. Но здесь есть важный нюанс. Большинство моделей двухконтурных котлов настроены на приоритет ГВС. Другими словами, при открытии крана горячей воды теплоноситель автоматически прекращает поступать в систему отопления. Либо вы обогреваете дом, либо принимаете душ, моете посуду и т.п. Кроме того, двухконтурные котлы имеют низкую производительность по ГВС. Ее может оказаться недостаточно, если предполагается использовать несколько точек водоразбора одновременно. По мере расхода вода будет охлаждаться, что нельзя назвать удобным.
- Что касается одноконтурных котлов конденсационного типа, то они также могут производить воду для ГВС при наличии бойлера косвенного нагрева. Возможность его подключения предусмотрена в большинстве современных агрегатов. Бойлер косвенного нагрева — это накопительный резервуар, объем которого подбирается с учетом потребностей в ГВС. Благодаря встроенной автоматике он поддерживает постоянную температуру воды на заданном уровне. Это значит, что пользоваться горячей водой можно без ограничений. При этом система отопления также будет функционировать.
Принцип работы конденсационного котла
Конденсационный котел — это младший брат более привычного газового конвекционного котла. Принцип работы последнего чрезвычайно прост и поэтому понятен даже людям, не очень знакомым с физикой и техникой. Топливом для газового котла служит, как следует из названия, природный (магистральный) или сжиженный (баллонный) газ. Природный газ сжигается, а при сгорании ископаемого топлива образуется углекислый газ и вода, при этом выделяется большое количество энергии. Выделяемое тепло используется для нагрева теплоносителя — бытовой горячей воды, которая циркулирует в системе отопления дома.
КПД газового конвекционного котла составляет ~90%. Это совсем неплохо, по крайней мере, он выше, чем у теплогенераторов на жидком и твердом топливе. Тем не менее, люди всегда старались максимально приблизить это значение к заветным 100%. В связи с этим возникает вопрос: куда деваются оставшиеся 10 %? Ответ, к сожалению, прозаичен: в канализацию. Это происходит потому, что продукты сгорания газа, выходящие из системы через дымоход, нагреваются до очень высокой температуры (150-250 °C), а это значит, что мы теряем 10 % энергии, которую тратим на нагрев воздуха вне дома.
Ученые и инженеры давно искали способы более полной утилизации тепла, но только 10 лет назад, когда был изобретен конденсационный котел, они смогли технически реализовать свои теоретические разработки.
Чем он существенно отличается от обычного конвективного газового теплогенератора? После завершения основного процесса горения и передачи большей части выделившегося тепла в теплообменник, конденсатор поднимает продукты сгорания до 50-60°C — точки, при которой начинается процесс конденсации воды. Одного этого достаточно, чтобы значительно увеличить КПД, в данном случае количество тепла, переданного теплоносителю. Но это еще не все.
Обычный газовый котел
Газовый конденсационный котел
При температуре 56 °C — так называемой точке росы — вода превращается из пара в жидкость, то есть водяной пар конденсируется. При этом выделяется дополнительная энергия, которая ранее расходовалась на испарение воды и, в случае обычных газовых котлов, терялась вместе с уходящей газопаровой смесью. Конденсационный котел способен «поглощать» тепло, выделяемое при конденсации водяного пара, и отдавать его теплоносителю.
Производители конденсационных котлов неоднократно указывают своим потенциальным покупателям на необычайно высокий КПД своих приборов — более 100 %. Как такое возможно? На самом деле, здесь нет никакого противоречия с классической физикой. Просто в данном случае используется другая система расчета.
При оценке КПД котлов часто рассчитывают, сколько тепла отдается теплоносителю. Тепло, «извлеченное» в обычном котле, и тепло от глубокого охлаждения дымовых газов дают общий КПД 100 %. Однако если к этому добавить отработанное тепло от конденсации пара, то получается ~108-110%.
С физической точки зрения такие расчеты не совсем корректны. При расчете КПД следует учитывать не выделяемое тепло, а общую энергию, выделяемую при сгорании углеводородной смеси определенного состава. Сюда также входит энергия, затраченная на перевод воды в газообразное состояние (которая затем выделяется в процессе конденсации).
Устройство основных узлов конденсационного котла
По своей конструкции конденсационный котел не имеет существенных отличий от обычного газового котла. Его основные элементы следующие:
- камера сгорания, оснащенная горелкой, системой подачи топлива и вентилятором для нагнетания воздуха;
- теплообменник № 1 (первичный теплообменник);
- камера доохлождения парогазовой смеси до температуры, максимально приближенной к 56-57°C;
- теплообменник № 2 (конденсационный теплообменник);
- резервуар для сбора конденсата;
- дымоход для отведения холодных дымовых газов;
- насос, обеспечивающий циркуляцию воды в системе.
1. основные характеристики газового конденсационного котла следующие. 2. 1. расширительный бак.
3. поверхности теплообмена. 4. конфигурация горелки.
5. вентилятор горелки. 6. насос. 7. панель управления.
В первичном теплообменнике, расположенном рядом с камерой сгорания, отходящие газы охлаждаются до температуры значительно выше точки росы (так выглядят обычные конвективные газовые котлы). Затем смесь дымовых газов направляется в конденсационный теплообменник, где снова охлаждается до температуры ниже точки росы, т.е. менее 56 °C. Водяной пар конденсируется на конденсационном теплообменнике. Водяной пар конденсируется на стенках теплообменника и «отдает свою рубашку». Конденсат собирается в специальный контейнер и через дренажную трубу сбрасывается в канализацию.
Вода, которая выступает в качестве теплоносителя, течет в направлении, противоположном движению парогазовой смеси. Холодная вода (обратная вода из системы отопления) предварительно нагревается в конденсационном теплообменнике. Затем она поступает в первичный теплообменник, где нагревается до более высокой температуры, заданной пользователем.
К сожалению, конденсат — это не чистая вода, как многие полагают, а смесь разбавленных неорганических кислот. Концентрация кислот в концентрате невелика, но поскольку температура в системе всегда повышена, ее можно считать агрессивной жидкостью. Поэтому при изготовлении таких котлов (и особенно теплообменника конденсата) используются кислотостойкие материалы — нержавеющая сталь или силумин (алюминиево-кремниевый сплав). Теплообменник обычно изготавливается литым, так как сварные швы являются наиболее уязвимым местом — именно здесь начинается коррозионное разложение материала.
В конденсационном теплообменнике пар должен быть сконденсирован. Все, что попадает дальше в дымоход, теряется при нагревании и разрушает материал дымохода. По этой причине дымоход изготавливается из нержавеющей стали или кислотостойкого пластика, а его горизонтальные части слегка наклонены, чтобы вода, образующаяся при конденсации небольшого количества пара, который все же попадает в дымоход, могла стекать обратно в котел. Следует помнить, что дымовые газы, выходящие из конденсатора, сильно охлаждаются, и то, что не конденсируется в котле, неизбежно конденсируется в дымоходе.
В разное время суток котлу требуется разное количество тепла, которое можно регулировать с помощью горелки. Горелка конденсационного котла может быть либо модулируемой, т.е. с возможностью постоянного изменения мощности во время работы, либо немодулируемой — с постоянной мощностью. В последнем случае котел адаптируется к потребностям пользователя путем изменения частоты запуска горелки. Большинство современных бытовых котлов оснащены модулирующими горелками.
Газовые конвекционные котлы: что это такое и каков принцип их работы
Газовые конвекционные котлы — это классическая, простая конструкция, в которой газовая горелка сжигает газ и нагревает теплообменник над ним с теплоносителем, теплоноситель циркулирует по системе отопления и отдает тепло. По сути, это обычные, простые, привычные газовые котлы. Они могут быть напольными или настенными, одно- или двухступенчатыми, с открытыми или закрытыми камерами сгорания.
Основным недостатком такого типа конструкции является ограниченный КПД. Большинство современных конвекционных котлов имеют КПД 88-92%, а модели с самым высоким КПД 93-94,5% не всегда оправданы с экономической точки зрения, так как имеют гораздо более сложную конструкцию и стоят в 1,5-2 раза дороже при приросте всего на 2%. Даже при таком высоком КПД конвекционных котлов большая часть тепла из камеры сгорания уходит через дымоход и остается неиспользованной. Температура дымовых газов часто достигает 70-80-90°C.
Малоизвестным до появления на рынке, но неожиданным и частым недостатком в процессе эксплуатации является образование конденсата в дымоходе. Конденсат обычно образуется в режиме низкотемпературного отопления, когда температура дымовых газов опускается ниже 50-60°C, особенно если дымовые газы подаются в традиционный вертикальный дымоход, конструкция которого часто допускает отклонения от СНиП.
Конденсат в этом случае означает не просто жидкость, а смесь тяжелых кислот, которые сокращают срок службы дымохода и теплообменника котла (когда он попадает в дымоход).
В коаксиальном дымоходе, независимо от температуры отопления, при наружной температуре ниж е-15°C часто образуется лед, сужающий или полностью препятствующий выходу продуктов сгорания, из-за чего котел перестает гореть, а автоматика выдает соответствующую ошибку.
В остальном это оправданный, простой и, главное, доступный проект. Стоимость конвекционных газовых котлов начинается от 14-15 тысяч рублей за самые примитивные модели для дома. Лучшие по соотношению «цена-качество» и наиболее совершенные модели стоят от 25-32 тысяч рублей.
Преимущества и недостатки
| Преимущества | Недостатки |
| Более простая конструкция | Ограниченная эффективность – полученное от сжигания газа тепло аккумулируется не эффективно, достаточно большая его часть уходит в дымоход |
| Доступная стоимость – начиная от 14-15 тыс. руб. | Образование конденсата на стенках дымохода, что снижает срок службы металлических модулей |
| Наличие энергонезависимых моделей и в целом широкий выбор на любые особенности и ценовой бюджет | При отводе через коаксиальный дымоход большинство конденсата все же отводится на улицу, но при сильных морозах замерзает на оголовье, затрудняя отвод продуктов сгорания |
| Широкий функционал, такой же, как и у конденсационных моделей, но за гораздо меньшую цену | |
| Простота монтажа и эксплуатации – из коммуникаций лишь обратная и подающая линии, достаточно проводить плановое обслуживание |
Отличия конденсационных газовых котлов от конвекционных
Газовые конденсационные котлы отличаются от конвекционных только более сложным принципом аккумулирования тепла.
Конденсационные модели имеют такую же конструкцию, но оснащены дополнительным теплообменником. После сгорания продукты сгорания проходят более длинный путь отвода, во время которого они охлаждаются до точки росы. Образуется конденсат, который оседает в дополнительном теплообменнике и возвращает в него (а значит, и в циркулирующий теплоноситель) ранее неиспользованную тепловую энергию. Отсюда и соответствующее название — конденсационные теплообменники, которые аккумулируют тепло отработанного конденсата.
Таким образом, температура выхлопных газов почти не отличается от температуры атмосферы (обычно 25-40 °C по сравнению с 60-90 °C для конвекционных моделей). КПД конденсационных моделей обычно составляет 103-115%, что означает, что они используют в среднем на 15-25% меньше газа. Если пересчитать показатели конвекционных и конденсационных котлов по теплотворной способности (включая теплоту конденсации водяного пара), то КПД обычных газовых котлов находится в диапазоне 80-85 %, а КПД конденсационных котлов — 92-98 %, что является значительным преимуществом.
Все отличия, критерии выбора и эксплуатационные характеристики газовых конденсационных котлов
Дымовые газы конденсационных моделей более экологичны, так как на оголовке дымохода не образуется конденсат из-за меньшей разницы температур между дымовыми газами и атмосферой. Все модели имеют исключительно закрытую камеру сгорания и коаксиальный дымоход, что обеспечивает меньшую занимаемую площадь и упрощает монтаж. Однако стоимость конденсационных котлов в 2-3 раза выше, самые экономичные модели, такие как BAXI Duo-tec Compact или Protherm Lynx MKV стоят от 50 тысяч рублей.
Есть еще один существенный недостаток — необходимость отвода конденсата. Как упоминалось ранее, это не просто нейтральная жидкость, а сильная кислота, которую необходимо правильно сливать. Кислоту нельзя сливать прямо в канализацию, перед сливом ее необходимо разбавить до соотношения 10:1, а лучше 25:1.
Конденсат также необходимо нейтрализовать, если он попадает в септик; это делается через местное очистное сооружение — пластиковый бак с нейтрализующим наполнителем. По словам владельцев, котел мощностью 18-24 кВт производит 25-40 литров конденсата в день.
Конструкция и эксплуатация
Конденсационные котлы для отопления похожи на обычные котлы. Обычно они монтируются на стене, хотя существуют также высокоэффективные напольные агрегаты для использования в промышленных или офисных зданиях. Они отличаются от обычных котлов тем, что имеют другой теплообменник, изготовленный из кислотостойких материалов, таких как силумин или нержавеющая сталь. Конденсат, вызванный повышенным содержанием кислоты, может привести к коррозии стали и чугуна, используемых в обычных котлах. Форма теплообменника может быть, например, в виде трубок с составным сечением и дополнительными спиральными ребрами. Все это служит для увеличения поверхности теплообмена и, следовательно, КПД котла. Кроме того, газовый конденсационный котел имеет перед горелкой воздуходувку, которая «всасывает» газ из газопровода, смешивает его с воздухом и подает газовоздушную смесь к горелке.
Отработанные газы обычно отводятся через коаксиальный дымоход, который обычно изготавливается из термостойкого пластика. Насос с электронным управлением оптимизирует эффективность системы отопления, экономит энергию и снижает шум, вызываемый протекающей через систему отопления жидкостью.
Независимо от того, насколько совершенен котел, его производительность во многом зависит от параметров системы отопления. Чем ниже температура воды, тем полнее конденсируется водяной пар и тем больше скрытого тепла возвращается в систему. Поэтому КПД котла тем выше. Само собой разумеется, что система отопления конденсационного котла должна быть рассчитана на более низкую температуру теплоносителя. При определении размеров важно убедиться, что температура обратки не превышает 60 °C при любых внешних условиях. В этом случае температура обратки будет составлять около 45-50 °C при относительно небольшом морозе, и котел будет работать в конденсационном режиме. В случае напольного отопления или систем отопления с низкотемпературными панелями все необходимые условия выполняются. В этом случае работа в конденсационном режиме гарантирована в течение всего отопительного периода. Необходимым условием для работы котла в энергосберегающем конденсационном режиме является температура потока теплоносителя ниже 57 °C. Чем ниже температура, тем лучше. Чем ниже температура, тем лучше конденсация и тем выше КПД котла.
Но даже если вы установите такой котел на место старого обычного котла без изменения системы отопления, большую часть времени он будет работать в режиме конденсации, то есть более эффективно, чем старый котел. Это связано с тем, что самые холодные дни в нашей климатической зоне составляют около 10% отопительного периода, поэтому в девяностые годы этого периода возможна конденсация.
Наконец, есть модели, которые можно использовать как для отопления, так и для горячего водоснабжения, с мощностью от 20 до 100 кВт. Этого более чем достаточно для бытового использования, но для промышленного или офисного применения существуют более мощные модели для напольного монтажа. В зависимости от мощности системы предлагаются комплекты для подключения котла, расширительные баки, нейтрализация конденсата, нейтрализующие среды, предохранительные устройства, а также комплекты для обвязки котла и гидравлические опоры, системы отвода дымовых газов. На рынке представлены одноконтурные и двухконтурные модели для настенной или напольной установки.
Мифы о конденсационных котлах
Миф №1
Конденсационные котлы дороже обычных котлов.
Конденсационные котлы могут быть как напольными, так и настенными, и обычно их сравнивают именно таким образом. Однако такое сравнение не всегда корректно. Настенные конденсационные котлы выпускаются мощностью до 120 кВт, в то время как обычные настенные котлы имеют мощность 32-35 кВт. Поэтому конденсационный котел мощностью 65 кВт можно сравнивать только с напольным котлом аналогичной мощности.
Миф №2
КПД конденсационного котла составляет более 100%.
КПД больше 100%! Это заявление производителей конденсационных котлов поражает не только несведущих и недалеких людей, но и тех, кто интенсивно изучает этот вопрос.
Принцип работы каждого конденсационного котла основан на использовании тепла, выделяемого водяным паром при конденсации. Это тепло также используется для нагрева теплоносителя благодаря специальной конструкции котла. В теплотехнике КПД котла определяется как отношение полезного тепла, полученного при отоплении и нагреве горячей воды, к теплотворной способности (количеству тепла, полученного при полном сгорании топлива и последующем охлаждении продуктов сгорания при нормальных условиях (0 °C, 760 мм рт. ст.)). Однако для всех ископаемых видов топлива необходимо проводить различие между верхней и нижней теплотворной способностью. Верхняя теплотворная способность определяется как нижняя теплотворная способность плюс теплота конденсации. Она является основой для определения КПД. Из-за потерь, вызванных высокой температурой дымовых газов, лучистым теплом и другими факторами, не все тепло передается нагреваемой воде.
Чтобы можно было сравнить конденсационные котлы с обычными котлами, COP рассчитывается по тому же методу, т.е. по LHV. Вывод таков: конденсационный котел использует всю тепловую мощность (100 %) и тепло конденсации (еще 8-9 %). Фактический КПД конденсационных котлов, конечно, меньше 100 %. Однако, поскольку КПД обычных котлов до сих пор рассчитывался во всем мире на основе наименьшей теплотворной способности, то для корректного сравнения обычных и конденсационных котлов КПД последних принимается равным 107-109 %.
Миф №3
Проблемы с конденсатом.
Распространено мнение, что конденсат от работы котла вызывает множество проблем. Конденсат действительно накапливается, и производители предлагают системы нейтрализации и дренажа для его удаления. Количество образующегося конденсата зависит в основном от мощности котла. Чтобы оценить приблизительное количество конденсата, можно воспользоваться следующей простой схемой. Для сжигания 1 м3 газа требуется 9 м3 воздуха, что приводит к выделению 2 м3 водяного пара, из которых 1,6 л может выпасть в виде конденсата. Эти цифры можно использовать для расчета максимального количества конденсата, которое может быть получено конденсационным котлом. Страшно знать, что конденсат образуется при нормальной работе котла, но не все задумываются о том, что при нормальной работе котла также образуется конденсат, который необходимо утилизировать. Когда котел выключен, дымовая труба охлаждается сверху, и конденсат образуется на стенках дымохода и начинает стекать в котел. Об этом факте часто забывают, поэтому устанавливают только конденсатоотводчик, который направляет образующуюся жидкость в канализацию без предварительной нейтрализации, что недопустимо.
