Конденсационные против обычных

Конденсационные котлы, появившиеся на российском рынке уже более 10 лет назад, каждый раз с выходом очередной новой модели вызывают обсуждение «плюсов» и «минусов» технологии, оправданности вложений, особенностей эксплуатации. По этой тематике возникает много вопросов и у потребителей, и на некоторые из них мы постараемся ответить в этой статье.

Идея использовать теплоту конденсации, или, как её ещё красиво называют, скрытую теплоту фазового перехода, не нова. Это явление встречается более 100 лет в холодильных машинах. Однако в отопительной технике до последнего времени традиционные, они же конвекционные, котлы вполне удовлетворяли потребителей в качестве простого и надёжного генератора тепла. Так откуда появилась потребность развивать принципиально новый уровень технологий? Заново перерабатывать каждый узел для сбора дополнительного тепла конденсации?

Vitodens 200-W

От идеи к действию

Начни с себя

Причиной номер один, как это ни покажется странным, было и есть желание сохранить окружающую среду. Мало кому понравилось, но многим запомнилось лето 2010 года, когда пожары охватили практически все области европейской части России. А теперь представьте, что такое лето будет каждый год. Что жара, ураганы, смерчи и наводнения станут нормой для наших широт. Многие связывают эти природные катаклизмы с глобальным изменением климата. Хотя скептики оспаривают эту точку зрения, уверяя, что человек вместе со своими автомобилями, промышленностью, «испарениями» мегаполисов для глобальной природы незаметен, а смена ледниковых и жарких периодов — естественная закономерность. Однако люди не хотят верить в свою непричастность и пытаются что-то изменить, начиная в первую очередь с себя. С изменения своего отношения к той среде, в которой они живут, к своему настоящему и будущему. В области отопления такие мысли привели к созданию энергоэффективной техники, к которой относятся и конденсационные котлы.

Кстати, желание заботиться об окружающей среде рождается в головах не только европейцев. Китайцы, например, шагнув за последние тридцать лет во многих вопросах из 17‑го века сразу в век 21‑й, и в технологиях отопления пытаются перепрыгнуть из века угольных и керосиновых печек в век ветро-генераторов, солнечных станций и конденсационной техники.

Вчера было дешевле

Вторая причина — цена на газ. Рост производства и масштабная газификация страны способствуют повышению спроса на газ и, как следствие, к увеличению стоимости энергоносителей, что, разумеется, отражается в счетах потребителей, который начинают думать, как сэкономить свои деньги. Рачительность конечного клиента вынуждает застройщиков включать в своё предложение не только цену квадратного метра, но и расчёты стоимости коммунальных услуг. Архитекторы и проектировщики ищут решения, позволяющие минимизировать будущие счета, — это качественная теплоизоляция окон и ограждающих конструкций, правильное распределение тепла и т. д. Инженеры отопительного оборудования работают над технологиями, которые снизят расход топлива и увеличат производительность приборов.

Нет предела совершенству

Третья причина — доступность. Лет десять назад конденсационный котёл стоил в пять-шесть раз дороже обычного, конвекционного. Но с каждым годом число предложений на рынке увеличивалось, технологии становились дешевле, что значительно сократило разницу в стоимости. Кроме того, производителям удалось достичь желаемого уровня качества как отдельных узлов, так и конструкции в целом. Кстати, по параметрам надёжности, ресурсу, эффективности элементы конструкции конденсационных котлов имеют потенциал к совершенствованию в отличие от таковых у конвекционных приборов.

CONDENSATIO — сгущение

В естественных условиях у воды есть три агрегатных состояния: жидкое (собственно, сама вода), газообразное (пар) и твёрдое (лёд). При переходе из одного состояния в другое вода отдаёт или поглощает тепло. Простой пример процесса испарения, когда жарким летом только что искупавшийся человек выходит из воды и чувствует холод. Вода под воздействием температуры тела и солнца испаряется и отбирает тепло с поверхности кожи. При ветреной погоде испарение усиливается, тепла отбирается всё больше, и рука сразу тянется за полотенцем. Так же и с переходом из газообразного состояния в жидкое. Если достать из холодильника холодную бутылку, то на её поверхности мгновенно образуются капли. Это водяной пар, который находился в воздухе и конденсировался, а бутылка немного нагрелась. По такому же принципу появляется роса летним вечером, когда воздух становится холоднее, и на поверхности травы образуются капли, а тепло отдается окружающим телам и предметам.

Стоит отметить, что чем выше насыщенность пара, тем больше теплоты выделяется при конденсации. Вспомните всеми почти забытый обычный, не электрический чайник. Если конденсировать пар, вырывающийся из носика чайника, то полученным в результате конденсации теплом можно будет нагреть до кипения объём воды, значительно больший, чем объём самого чайника.

При чём тут котлы?

Тепло, выделяемое при сжигании топлива, это не что иное, как процесс окисления горючих составляющих топлива при участии кислорода. Рассмотрим наиболее распространённый газ — метан (CH4).

CH4 +O2 = CO2 + 2H2O + тепло

В результате реакции с кислородом наряду с теплом и углекислым газом образуется вода в виде пара. По принятой терминологии теплота, которая выделяется при сгорании топлива, называется низшей теплотой сгорания топлива. Если начать охлаждать водяной пар, то при конденсации можно получить тепло, называемое теплотой парообразования/конденсации. Сумма низшей теплоты сгорания и теплоты конденсации будет называться высшей теплотой сгорания топлива.

Весь смысл конденсационной отопительной техники сводится к тому, чтобы охладить продукты сгорания ниже точки росы и с пользой использовать теплоту конденсации. Но в отличие от чистого водяного пара водяные пары в дымовых газах имеют несколько иные свойства, так как смешаны с другими газами. Как следствие — значение температуры, при котором начнётся конденсация, зависит от состава дымовых газов. А они, в свою очередь, определяются видом топлива и степенью насыщенности воздухом сжигаемой газо-воздушной смеси. Например, при сжигании метана точка росы (начала конденсации) будет 55 °C, а для дизельного топлива — 45 °C.

Помните про чайник? Так вот насыщенность водяных паров также зависит от вида топлива. Из приведенной таблицы видно, что наибольшую теплоту конденсации можно получить при сжигании метана:

Вид топлива Низшая теплота сгорания Высшая теплота сгорания Разница, %
Солярка 10,600 ккал/кг 10,210 ккал/кг 3,82
Керосин 10,700 ккал/кг 10,290 ккал/кг 3,98
Метан 9,530 ккал/м³ 8.570 ккал/м³ 11,20
Пропан 23,850 ккал/м³ 21,600 ккал/м³ 10,42
Бутан 30,500 ккал/м³ 28,300 ккал/м³ 7,77

КПД более 100 %!?

Обычно при перечислении технических характеристик условного традиционного конвекционного котла можно встретить следующие показатели:

  • Максимальная потребляемая тепловая мощность: 26,7 кВт (тепло, которое производится при сгорании топлива).
  • Максимальная полезная тепловая мощность: 24,03 кВт (тепло, передаваемое теплоносителем в систему отопления).

Разница 2,67 кВт, или 2,67/0,267 = 10 %! Где же они? 2 % — это потери через стенки котла, 8 % уходит с дымовыми газами. В результате КПД (коэффициент полезного действия) составляет 90 %. И это неплохой показатель. Однако на самом деле это значение рассчитывается по низшей теплоте сгорания топлива без учёта теплоты конденсации. И если прибавить получаемую в конденсационных котлах скрытую теплоту, то при расчёте по низшей теплоте сгорания их КПД может превысить 100 %.

Газ и не только

Несмотря на то, что метан является самым эффективным видом топлива, газовые конденсационные котлы можно использовать и с другими газами, а именно пропаном и бутаном, смесью которых заполняются газгольдеры. Так как регулярное заполнение и обслуживание газгольдера требуют постоянных расходов, потребитель подсознательно (или нет) всегда пытается газ экономить. Конденсационный котёл в этой ситуации удобен не только как генератор хоть и небольшого, но дополнительно добытого тепла, но и как устройство, обладающее широким диапазоном модуляции мощности (не зависимо от производителя). Это даёт экономию газа, поскольку потребитель не перегревает дом. К тому же перенастройка горелки на сжиженный газ осуществляется переключением настроек котла без вмешательства в его конструкцию.

Есть на российском рынке и жидко-топливные, и биотопливные конденсационные котлы, которые, к сожалению, имеют малое распространение.

 Оправдывающая стоимость оборудования экономия топлива особенно заметна у газовых конденсационных котлов. У жидко-топливных экономия почти вдвое меньше и совсем небольшая — у биотопливных котлов. Однако и у них в конденсационном режиме можно добиться до 15 % дополнительно полезного тепла и до 97 % КПД. Происходит это за счёт того, что в таких котлах энергия конденсации пара, полученная как результат реакции, дополняется энергией конденсации испарившейся из топлива влаги.

От 50 м² до ∞

Снова возьмём некий традиционный котёл с полезной тепловой мощностью 24 кВт. Минимальная мощность, которую он может выдать, — 11 кВт. Но для небольшого дома площадью 80 м2 такого количества теплоты избыточно. В результате дом перегревается, потребителю некомфортно, он открывает форточки, но при этом продолжает тратить газ. Конденсационный котёл можно настроить так, чтобы он работал в пределах 4–12 кВт. И дело здесь в теплообменнике, применяемом в таком теплогенераторе. Конструктивно теплообменники у разных производителей, конечно, разные, но их общее «идейное» отличие от стальных и чугунных, применяемых в традиционной технике, — устойчивость к конденсату. Чем меньше мощность, тем ниже температура. А где низкая температура, там и конденсат, которого традиционные сталь и чугун боятся. Для небольшого дома подойдёт самое распространённое и простое решение — конденсационный настенный котел с «полной комплектацией», включающей насос, расширительный бак, элементы безопасности и управления. Мощность таких котлов обычно до 35 кВт. Для одной-двух точек ГВС в доме достаточно встроенного теплообменника. Если горячей воды требуется больше, можно установить внешний бойлер, объём которого подбирается по расходу.

Возьмём дом большей площадью. Например 300 м2, с бассейном, баней и другими сооружениями, где требуется больше тепловой мощности, и где 35 кВт уже будет недостаточно. В этом случае котлы можно объединить в каскад или выбрать настенный котёл большей мощности — от 50 до 100 кВт.

Альтернатива каскаду — конденсационный котёл в напольном исполнении. Мощность выбирается в диапазоне от 110 кВт до нескольких мегаватт (при объединении в каскаде). Ещё недавно подобные конденсационные предложения были редкостью, но сейчас они есть в линейке практически всех производителей.

Естественно, что такие экономичные генераторы тепла как конденсационные котлы, так же легко комбинируются с другими «зелёными» источниками генерации — тепловыми насосами, солнечными коллекторами или котлами на другом виде топлива.

Богатый выбор автоматики и приложений даёт возможность всё это собрать и управлять котельной дистанционно со смартфона или планшета.

И не забывайте, чтобы грамотно сделать тепловой расчёт дома и проект необходимых инженерных сетей, требуется помощь специалиста. Не стоит пренебрегать и услугами профессионалов при первом запуске котла. Настройка конденсационного оборудования — дело тонкое. И, к сожалению, не все монтажники этими знаниями обладают. Именно поэтому стоит выбирать те организации, которые рекомендует производитель.

 

 

aeticle_87.jpg

Стоимость теплообменника конденсационного котла вместе с работами по замене сравнима со стоимостью обычного конвекционного котла такой же мощности. Как минимизировать воздействие солей, взвесей, теплоносителя на теплообменник, и каковы особенности промывки забитого теплообменника?

Анатолий Викторович Харитонов, референт «Академии Виссманн» в России (бренд Viessmann)

Для котлового оборудования бытовой серии в качестве теплоносителя применяется вода питьевого качества. Если она жёсткая (более 3,0 моль/м3), необходимо принять меры для её умягчения, установив соответствующий фильтр с предварительной механической фильтрацией. Но зачастую воду в систему заливают неподготовленную, что приводит к негативным последствиям, а именно к отложению солей жёсткости на теплообменной поверхности. И чем «жёстче» вода, тем больше слой отложения. 

Эти отложения приводят к ухудшению теплопередачи, что ведет к увеличению расхода газа, а также к перегреву самого теплообменника. А это оказывает непосредственное влияние на ресурс оборудования, ведь теплообменник – это «сердце» котла. 

В любом конденсационном котле Viessmann встроена система постоянного контроля состояния теплообменника. Обнаружение солевых отложений в теплообменнике (по водяному контуру) диагностируется на ранней стадии путем постоянного контроля температуры уходящих газов. В случае превышения максимального значения, котел отключается, и отображает это превышение на панели управления. 

Запатентованный компанией Viessmann теплообменник Inox-Radial из качественной нержавеющей стали, который установлен на всех настенных конденсационных котлах Vitodens, представляет собой единую спираль прямоугольного сечения с одноходовым движением теплоносителя, поэтому промыть такой теплообменник не составляет труда. Эту операцию выполняют с помощью обычной промывочной машины и специальных растворов. Грамотная подготовка котловой воды и своевременное обслуживание увеличивает срок службы котла и снимает вопрос о замене теплообменника, что экономит деньги хозяина! 

Vitodens 111-W
Vitodens 111-W

Теплый пол +

Существует устойчивый стереотип о том, что конденсационный котёл может работать только с тёплым полом. Так это или нет — постараемся разобраться.

КПД и количество теплоты, получаемое в процессе конденсации, зависят от расчётных значений системы отопления. Чтобы получить максимальный эффект от конденсации, необходимо довести температуру отходящих газов до точки росы и, соответственно, до значения 55 °C.

При обогреве дома при помощи тёплого пола используются следующие температурные расчёты: подача 50–45 °C, обратная линия — 35–20 °C. Такие значения подходят для конденсации идеально. Но ведь тёплый пол обустроить можно не везде. Особенно если система отопления не подвергается реконструкции целиком, а меняется только генератор тепла. Что же будет, если старая система отопления рассчитана на значение подачи 90 °C и обратной линии 70 °C? Если регулирование температуры в системе отопления сделать зависимым от уличной температуры, то 80 % всего времени эксплуатации котёл будет работать в конденсационном режиме.

Отличия конструкции

Конструкция теплообменника конденсационного котла устроена таким образом, чтобы на первом этапе отбиралось тепло, а на втором — водяные пары в продуктах горения проходили по максимально длинному пути, где бы они, остывая и конденсируясь, отдавали тепло системе отопления. Сейчас для настенных котлов большинство производителей используют теплообменники из специальной нержавеющей стали. Она устойчива к конденсату и легко очищается от отложений. Есть теплообменники из сплава кремния и алюминия с добавлением легирующих компонентов, повышающих эластичность и теплопроводность сплава.

Традиционные котлы (с открытой или закрытой камерой сгорания) имеют одинаковый принцип сжигания газа: горючий газ поступает под давлением на форсунку. За счёт сужения прохода и увеличения давления образуется струя. И благодаря особому геометрическому сечению сопла происходит инжекция или подмешивание первичного воздуха с образованием газо-воздушной смеси. После выхода смеси из сопла происходит вторичный подмес воздуха. Изменяя (модулируя) давление газа, можно менять скорость газовой струи и количество подмешиваемого воздуха.

В конденсационных котлах используется принцип «полного предварительного смешивания». При запросе на тепло сначала запускается вентилятор горелки, в зависимости от скорости которого открываются клапаны газового блока и газ подмешивается к воздушной струе (за счёт разряжения, создаваемого потоком). Такая схема даёт возможность добиться глубокой модуляции мощности и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Другие преимущества конденсационных котлов

Меньше

Дороже всего в доме стоит квадратный метр. Поэтому компактность оборудования, это то, за что стоит заплатить. И чем больше требуется мощность, тем больше разница в габаритах. Например, после разработки проектного решения и расчёта тепловых потерь здания для дома был выбран котёл мощностью 90 кВт. Оценим габариты и вес подходящего для этого проекта обычного и конденсационного котла одной марки: De Dietrich Innovens DTG 230–10 (1000х1113х930 мм; вес — 305 кг) и PRO MCA 90 (750х500х500 мм; вес — 68 кг). Конденсационная модель гораздо компактнее и легче. Также стоит учесть, что для напольного традиционного котла потребуется больше места для обслуживания.

Чаще

Выбросы вредных веществ в атмосферу строго регламентированы, и в Европе эти нормы жёстче. Согласно «зелёной» директиве ЕС 2009/125/СЕ, с 15 ноября 2015 года не допускается строительство новых объектов с использованием обычных конвекционных котлов. В нашей стране регламенты мягче, возможно потому, что мало кто задумывается, каким воздухом мы дышим. Многие даже не знают, какие вредные вещества выделяются при сжигании газа: углекислый газ (СО2), оксид углерода (СО), оксиды азота (NOx — собирательное название для NO и NO2), а также пары угольной (H2CO3), серной (H2SO4) кислоты, диоксида (SO2) и оксида серы (SO3).

Конденсационные котлы за счёт усовершенствования процесса горения и снижения температуры в топке имеют значительно более низкий выброс. По углекислому газу (СО2) на 40 %, а по оксидам азота (NOx) на 90 % меньше, чем стандартный котёл. Пары кислот отводятся и утилизируются вместе с конденсатом.

Экономичнее

Как уже говорилось, идея использования конденсации появилась от желания сделать экономичный и эффективный генератор тепла, который, как показывает опыт применения оборудования на готовых объектах, позволяет снизить затраты на газ до 15 % (при правильном расчёте и грамотной эксплуатации). А если сравнивать конденсационный котёл не с современной моделью обычного котла, а с газовым аппаратом, выпущенным несколько десятков лет назад, то экономия достигнет 30 %. Разумеется, в Европе, где стоимость газа выше, чем в России, конденсационный котёл окупится быстрее, но и у нас выгода очевидна. Поэтому к выбору конденсационного котла можно относиться как к инвестиции, так как рост стоимости газа незаметен лишь тем, кто за него не платит.

Неудобный конденсат

При сгорании 1 м3 газа образуется 2 м3 водяных паров. За день получается 15–20 литров конденсата с кислотностью pH = 3,5–4,5, что сопоставимо с уровнем кислотности бытовых отходов. По содержанию вредных веществ получаемый конденсат не превышает допустимых норм.

Компоненты конденсата Нормативные показатели, мг/л Содержание конденсата в газовых конденсационных котлах
Свинец 0,2 ≤0,01
Кадмий 0,01 0,001–0,005
Хром 0,15 0,01–0,08
Медь 0,25 ≤0,01
Никель 0,25 0,01–0,04
Цинк 0,5 0,05–0,06
Олово 0,5 ≤0,05

Тем не менее с конденсатом необходимо что-то делать. Мосводоканал позволяет сливать конденсат котлов в канализацию при условии, что мощность котельной не более 250 кВт и конденсат разбавлен в пропорции 1:25. А что делать тем, у кого нет под боком инженерной сети Мосводоканала? Конденсат не влияет на трубы канализации, но в септик слив выводить нельзя, поскольку он попросту убьёт все «полезные» бактерии. В этой ситуации применяют нейтрализаторы конденсата. Обычно это некоторая ёмкость, наполненная специальным нейтрализующим средством, как правило, оксидом магния (MgO). Средство меняют раз в пять–семь лет. Стоимость его составляет около 6000 рублей. После нейтрализации конденсата образуются карбонат магния (MgCO3) и вода (H2O), которые уже можно отводить в септик.

Дым из трубы

Температура дымовых газов в конденсационном котле низкая, тем не менее конденсат может выпадать внутри дымоходной трубы. Чтобы избежать коррозии и последующего её разрушения, все производители рекомендуют применять дымоходы из специального жаростойкого пластика. Наклон трубы делается в сторону котла, чтобы конденсат сливался в него и отводился через штатный сифон. Дымоходы из пластика нельзя заменять на кирпич, алюминий или нержавейку, так как при их применении протекание и разрушение — вопрос лишь времени. Также ни в коем случае нельзя использовать сантехнические трубы. Они не выдержат температуры дымовых газов, просядут и потекут. Препятствует повреждению пластиковых дымоходов в котле температурный ограничитель — он выключает котёл, когда температура дымовых газов достигает 85 0С. Стоимость элементов дымохода достаточно высока, но это оправдывается их надёжностью и, соответственно, безопасностью. Кстати, рекомендованные производителем дымоходы позволят избежать лишних вопросов у пожарной охраны. Ведь то, что рекомендовано производителем, безопасно.

Ньюансы

Предыдущие несколько абзацев были посвящены тому, что же в конденсационной технике хорошо. А теперь скажем о том, что нельзя и что нужно делать с конденсационным котлом, дабы в нём не разочароваться.

Конденсационные котлы не рекомендуется использовать с незамерзающими жидкостями. Воду для системы отопления надо использовать предварительно подготовленную. Если на котле есть подпиточный узел — важно, чтобы вода туда попадала также после водоподготовки.

Конденсационные котлы, как и традиционные, требуют ежегодного технического осмотра. К сожалению, у нас к этому серьёзному аспекту относятся формально и часто пропускают положенные по регламенту работы. Приводит это обычно к неприятностям в самый неудобный момент. 31 декабря, например. Если есть сомнения в компетентности специалиста, список регламентных работ есть в инструкции или на сайте производителя. Несмотря на простоту выполняемой функции, газовый аппарат довольно сложный и требует к себе внимания.

Что учесть?

В заключение хочется дать совет, на что стоит обратить внимание.

Конденсационному котлу нужен воздух. Производители предлагают огромный выбор вариантов обустройства подачи воздуха и, соответственно, удаления дымовых газов.

Если обустройство тёплого пола невозможно, то лучше сделать тщательный тепловой расчёт и поставить радиаторы с учётом низкого температурного режима. Да, они будут больше и дороже. Но не стоит забывать, что чем больше тепловой прибор, тем ниже температура в каждой его точке. А чем ниже температура, тем меньше он сушит воздух.

Конденсат, как уже было сказано, необходимо отводить. Для этого следует предусмотреть отдельный канализационный выход. Если трубопровод выводится из отапливаемого помещения, то трубу следует предохранить от замораживания.

Для обеспечения правильной работы всех систем в котле есть плата управления. Деталь это важная и поэтому дорогая. Для того чтобы уберечь её от нестабильного напряжения электрической сети, лучше сразу предусмотреть стабилизатор напряжения. Какой стабилизатор лучше — тема отдельной статьи.

Любой конденсационный котёл позволяет изменять настройки в зависимости от давления газа в системе, от конфигураций системы отопления, от дополнительных устройств дистанционного управления и контроля. Все эти параметры можно настроить до начала работы, чтобы добиться максимальной его эффективности.