Сложение мощности и мультипликация эффективности

Зачастую для теплоснабжения больших общественных зданий, многоквартирных домов и других объектов оказывается недостаточно единичной мощности котла даже высокой теплопроизводительности. При увеличении числа отапливаемых помещений (например, при строительстве мансардных этажей или новых объектов во дворе здания) возникает необходимость наращения теплогенерирующих мощностей, что не всегда возможно в традиционной системе с одним водогрейным или жаротрубным котлом. К тому же, в случае останова котла из-за аварии или штатного ремонта под угрозой оказывается теплоснабжение помещений, в которых должны поддерживаться определенные температурные параметры (что особенно актуально при теплоснабжении теплиц, оранжерей, бассейнов и пр.). Применение каскадной котельной снимает вышеизложенные проблемы: при работе одного или нескольких котлов каскада штатный ремонт отдельного аппарата возможен без останова всей системы.

Немаловажное значение имеет и износ котельного оборудования. Ведь даже при малой потребности в тепле котельная с одним теплогенератором будет продолжать работать. Каскадное подключение, где 2, 4 или 8 котлов работают согласованно в системе, включаясь и выключаясь поочередно в соответствии с требуемой мощностью, снижает нагрузку на каждый аппарат в отдельности и тем самым увеличивает общий срок эксплуатации котельной.

Как правило, производители котлов оговаривают возможность каскадной работы. При этом указывается их максимальное число в каскаде. Коэффициент использования топлива (часто его называют КПД) у конденсационных котлов может достигать 109 %. Но такого значения КПД можно достичь лишь в том случае, когда и без конденсационной составляющей котел функционирует с максимальной производительностью, что обеспечивается использованием электронных регулирующих устройств, высокоэффективными модулируемыми горелками с точно дозируемым объемом подаваемого для горения воздуха, новыми конструкциями теплообменников с оптимизированным теплосъемом. Помимо этих компонентов энергоэффективности, при совместной работе котлов в каскаде нужен строгий конденсационный режим температуры теплоносителя в обратной линии. Поэтому каскадная котельная представляет собой не просто механическое объединение котлов в одной сети, а их интеграцию в новую структурную единицу, своего рода модульный суперкотел.

Для создания каскада, как минимум необходима общая гидравлическая схема, в большинстве случаев включающая в себя гидравлические разделители или распределители (рис. 1), а также специальная автоматика котлов, способная работать в согласованном режиме и подчиняться командам более высокого, интегрального иерархического уровня.

Чаще всего несколько котлов работают совместно на одну систему отопления через гидравлический разделитель («стрелку»), который обеспечивает гидравлический и температурный баланс первичного (котлы) и вторичного (нагрузка) контуров. Таким образом, циркуляция теплоносителя в обоих контурах будет полностью зависеть только от производительности соответствующих насосов, что позволяет оперативно реагировать на потребности в тепле в конкретный момент времени.

В системах с гидравлическим разделителем можно поддерживать постоянный расход теплоносителя в первичном контуре, при этом регулируя подачу тепла во вторичном, то есть снижать количество циклов отключений/включений котлов. Когда насос вторичного контура отключен, вся вода, циркулирующая под воздействием насоса первичного контура, перепускается через разделитель. В современных системах отопления готовый гидравлический разделитель выбирается исходя из требуемой мощности котла и максимального протока теплоносителя в системе. 

Схема с гидравлическим распределителем позволяет присоединять любое необходимое количество котлов и зон отопления или тепловой нагрузки. То есть к ней без особых сложностей могут быть подключены и высокотемпературная зона (радиаторы), и низкотемпературная (теплые полы) зоны отопления, и бойлер ГВС. Она позволяет обойтись без использования дополнительных сложных блоков каскадного регулирования и не понижать температуру теплоносителя в системе отопления при пиковой потребности в ГВС.

Два отопительных котла можно подключить и по упрощенной схеме, без дополнительных устройств и блоков, используя встроенную погодозависимую автоматику котлов и автоматику приоритета ГВС только одного из котлов.

При организации каскадной котельной можно значительно повысить надежность системы теплоснабжения. Так, в случае выхода из строя одного отопительного котла его нагрузка автоматически распределяется на остальных. Настенный конденсационный котел обычно может изменять свою мощность в широком диапазоне от нескольких до 100 и более кВт. Эта позволяет избегать лишних затрат на энергоресурсы при применении его в системах теплоснабжения с переменной мощностью. Например, в индивидуальных домах в холодный период года котел обычно работает, реализуя 100 % расчетной мощности. А в теплый период – лишь меньше ее трети. При использовании ступенчатых (не модулируемых) горелок, котел производит излишки тепла, что приводит к перерасходу энергоресурсов. В конденсационных котлах с модуляцией мощности этого не происходит: снижением-увеличением нагрузки можно маневрировать в самых широких пределах и тем самым наиболее точно реагировать на запросы потребителей. Так, если использовать каскадную котельную с котлами мощностью до 100 кВт и модулируемыми горелками, то модуляция может быть от 11 до 200–300 и более кВт (соответственно два, три или более котлов в каскаде).

Из практики известно, что конденсационные технологии при теплогенерации дают наибольший экономический эффект при определенных условиях, например, расчетных параметрах температуры теплоносителя в прямом и обратном контурах. Кроме того, наиболее заметна экономия топлива (и средств) при потребности в генерации сравнительно большой тепловой мощности – сотен и тысяч киловатт. А именно такие параметры и призваны обеспечить каскадные котельные.

При помощи каскадного регулирования с программным управлением ликвидируются проблемы с определением оптимального соотношения мощности системы и потребления тепла. Широкий диапазон управления каскада позволяет длительно работать при низких температурах отопительной воды, что уменьшает потери с тепловым излучением и поддержание параметров системы в режиме ожидания. Поэтому повышается уровень моментальной готовности, улучшаются температурные (комфортные) параметры среды.

Для регулирования мощности часто применяются блоки управления последовательного включения котлов, так называемые каскадныe переключатели. Стандартный уровень переключения – до 4 котлов в каскаде. На практике это означает, что, например, мощность 400 кВт включается с шагом по 100 кВт.

Шагом вперед стала комплектация котлов интерфейсом коммуникации, позволяющим переносить информацию между котлами и одновременно плавно регулировать мощность всех котлов каскада. Такое регулирование не только обеспечивает достижение оптимального уровня мощности в каждое мгновение работы, но и моментальный доступ к информации по актуальной операции или диагностике неисправности каскадной котельной. Поэтому современную каскадную котельную можно относить к «интеллектуальной системе» с автономным режимом работы, функционирующей в большинстве случаев без вмешательства человека.

Например, автоматика настенных котлов Rendamax (Нидерланды) плавно регулирует мощность в пределах 20–100 % от номинальной (непрерывная электронная плавная модуляция). Объединение котлов в каскад позволяет расширить диапазон регулирования производительности от минимальной мощности одного котла до максимальной мощности 16. Это соответствует диапазону управления 1,8–100 % мощности для каскада. 

Для «интеллектуализации» каскада каждый котел снабжается платой интерфейса, подключаемой двумя проводами к интерфейсу соседнего аппарата. При регулировании работы каскада на начальном этапе включаются все котлы, и на первом устанавливается необходимая температура теплоносителя. Производительность остальных теплогенераторов автоматически подстраивается под заданные параметры, их работа «согласовывается». В этом случае отпадает необходимость в сложной и трудоемкой настройке каждого котла в отдельности, настройки переключателя и т. д. Если необходимо увеличить максимальную мощность, то просто добавляется еще один котел и на нем устанавливается соответствующий интерфейс. 

При вводе в эксплуатацию достаточно на каждом интерфейсе установить переключатели в соответствии с номером котла в каскаде, переключатель в главном котле – по количеству котлов, и каскад готов к работе. Эту первичную настройку производит сервисный техник. Далее сложные настройки уже не производятся. 

Для обеспечения погодозависимого регулирования (эквитермное регулирование, наиболее часто используемое при каскадной работе конденсационных котлов) достаточно добавить один датчик наружной температуры, и каскадная котельная уже может функционировать в требуемом режиме. 

Несмотря на относительно небольшие объемы продаж конденсационных котлов в России, уже накоплен опыт их эффективного применения в составе каскадных котельных. Выполненные на базе как настенных, так и напольных котлов, такие котельные успешно функционируют в жилых и производственных зданиях. Так, для теплоснабжения квартир двух подъездов жилого семиэтажного дома в Барнауле были смонтированы две крышные котельные (рис. 2) на базе конденсационных котлов BAXI серии LUNA HT Residential, установленных в каскаде.

Мощность каждой котельной составила 355 кВт, суммарная – 710 кВт. Необходимость использования конденсационных котлов была вызвана ограничением допустимого воздействия массы котельной на крышные перекрытия здания. Эффективность и надежность теплоснабжения были обеспечены за счет бака-акумулятора объемом 800 л, фирменных коллекторов и гидравлического разделителя (стрелки), благодаря которому поддерживалась необходимая для конденсационного режима температура обратной линии. Дымоход диаметром 110 мм был выполнен из полимерных материалов (ПП).

Котельная в отдельном помещении на базе 2 настенных конденсационных котлов LUNA HT Residential мощностью 45 кВт и одного бойлера ГВС объемом 500 л была также смонтирована для нужд меховой фабрики в г. Лабинске (Краснодарский край). Ее особенность – работа в низкотемпературном тепловом режиме (30–50 °С) с увеличенным количеством радиаторов (семь тепловых контуров). Это позволило эксплуатировать котлы преимущественно в конденсационном режиме и в максимальной степени экономить газ. Управление каскадом осуществляется при помощи панели RVA 47, установлен гидравлический разделитель, а газоотвод производится по коаксиальным трубам, проложенным через стену.

Блочная котельная на базе двух напольных конденсационных котлов POWER HT мощностью по 150 кВт была использована для теплоснабжения детского садика в г. Нальчик (Республика Кабардино-Балкария). Газоотвод от каждого котла осуществляется через индивидуальный дымоход, выполненный из нержавеющей стали. Система ГВС использует два параллельно подключенных бойлера объемом 200 л каждый. 

Каскадная котельная из двух конденсационных котлов Vaillant Eco TEC plus VU 466 обеспечивает теплом гипермаркет электроники «Техно Терра» (г. Анапа, Краснодарский край). Мощность котельной для температурного режима 60/40 ºС составляет порядка 95 кВт. Котлы оснащены модулирующими горелками и управляются контроллером Vaillant colorMATIC. В случае, если гипермаркету электроники понадобится увеличение тепловой мощности, каскад можно дополнить еще одним теплогенератором Vaillant Eco TEC plus VU 466.