Выбор типа котла в зависимости от энергоносителя
Опубликовано: 28 января 2020 г.
994
Для владельца загородного дома проблема выбора типа котла существует, когда нет возможности подключения к сети магистрального газа, альтернативой которому обычно выступают: сжиженный углеводородный газ (СУГ), дизельное топливо, твердое топливо (уголь, дрова), твердое гранулированное топливо (пеллеты) и электричество.
Котельное оборудование, работающее на каждом из перечисленных видов топлив, имеет свои особенности и преимущества. От них и еще ряда факторов зависит оправданный выбор того или иного типа котла. Но прежде всего, выбор типа котла определяет доступность того или иного энергоносителя, а если к дому подведен магистральный газ, то выбор очевиден. Дешевизна голубого топлива в России и удобство его использования ставят газовый котел вне конкуренции. Сегодня на российском рынке представлен широкий выбор настенных и напольных газовых котлов отечественных и зарубежных производителей.
Вне конкуренции
Настенный газовый котел представляет собой полностью укомплектованную компактную мини-котельную в едином кожухе. Выпускаются они в исполнениях с открытой или закрытой камерой сгорания. Котлы с открытой камерой сгорания стоят дешевле. Однако при сжигании топлива в таких котлах выгорает кислород из атмосферы помещения, в котором они установлены. Их допустимо использовать для отопления коттеджей и загородных домов, где теплогенератор рекомендуется разместить в специальном помещении, в котором предусмотрены легкосбрасываемые строительные конструкции и соответствующая вентиляция (СП 281. 1325800.2016).
Закрытая камера сгорания полностью изолирована от внутренней среды отапливаемого помещения, поэтому из атмосферы помещения не выжигается кислород и исключается возможность поступления в нее продуктов сгорания. Воздух для горения забирается снаружи и доставляется по газоходу. Во внешнюю же среду за пределы здания по коаксиальному или отдельному газоходу с помощью вентилятора принудительно выводятся продукты сгорания. Благодаря этой особенности котлы с закрытой камерой сгорания не требуют для размещения отдельного специально оборудованного помещения.
Бытовые газовые котлы бывают одноконтурными – рассчитанными только на отопление и двухконтурными – конструкция которых предусматривает выполнение функций отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Двухконтурные котлы практически все выпускаются с закрытой камерой сгорания (рис. 1). Приоритет ГВС в этих моделях позволяет обеспечить пользователя необходимым количеством горячей воды – обычно это одна-две точки разбора с производительностью 10-15 л/мин при ∆Т = 30°С.
Рис. 1 Принципиальная схема работы двухконтурного котла
Более комфортные условия горячего водоснабжения можно получить, установив котел со встроенным бойлером (рис. 2). Его основной плюс – это 45-60 л (в зависимости от модели) горячей воды, постоянно готовой к использованию. Кроме того, бойлер позволяет иметь на некоторое время запас горячей воды при отключении газа. Минусы котлов со встроенным бойлером – большие габариты и вес, а также незначительное увеличение расхода газа для поддержания воды в бойлере постоянно нагретой.
Рис. 2 Двухконтурный котел со встроенным бойлером
Если же горячей воды требуется много, например, в доме несколько точек водоразбора, работающих одновременно с большим потреблением горячей воды (ванная, джакузи, душ и т.п.), то можно к одноконтурному котлу, как, впрочем, и к двухконтурному, подключить бойлер большого объема (150-200 л и более).
Рис. 3 Конструкция конденсационного двухконтурного котла
За рубежом, а в последние годы и в России активно продвигаются на рынке отопительного оборудования конденсационные модели котлов, характеризующиеся особенно высокой производительностью (рис. 3). Если КПД обычных современных газовых котлов и так достаточно высок, как правило, выше 84% и достигает 94-97%, то для конденсатных котлов традиционные теплотехнические расчеты дают этот показатель выше 100%. Как ни парадоксально, столь высокий показатель КПД никак не противоречит законам термодинамики. Дело в том, что традиционный метод расчета КПД в теплотехнике просто не учитывает теплоты скрытой в парах воды, отводящихся вместе с дымовыми газами. Конструкция конденсационных котлов позволяет утилизировать и эту теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных паров на встроенном в теплоагрегат модуле (рис. 4). «Непредусмотренная» доля теплоты – до 6% у котлов, работающих на жидком топливе, и до 11% у котлов, работающих на газе, – и обеспечивает завышенное по традиционным теплотехническим расчетам значение КПД.
Рис. 4 Конденсационный теплообменник
На основе конденсационных моделей рекомендуется создание так называемых низкотемпературных систем отопления, как правило, включающих водяные теплые полы. Такие низкотемпературные системы отопления с водяными теплыми полами особенно уместны в частных домах, коттеджах. Организация же системы отопления с водяным теплым полом в квартире многоквартирного дома, если этот тип отопления не предусмотрен проектом, требует серьезных дополнительных согласований и разрешений.
Для большинства выпускающихся сегодня конденсационных котлов производители предусматривают возможность работы в каскаде. Главным же их недостатком является относительно высокая стоимость.
Эффективность и безопасность работы котла, удобство управления обеспечиваются автоматикой. Современные модели обладают функциями автоматического розжига, плавной регулировки пламени горелки, что позволяет управлять работой котла в гибком температурном режиме. Безопасную эксплуатацию обеспечивает система автоматической безопасности, включающая: датчик наличия пламени, блокировочный термостат, устройство отключения и включения котла при перебоях электропитания, устройство блокировки котла при отключении газа, датчик контроля тяги, устройство отключения котла при снижении объема теплоносителя ниже нормы, предохранительный клапан.
Применение современной электронной автоматики предоставляет пользователю возможности: эксплуатировать оборудование в экономном режиме, программировать режим отопления на неделю вперед, а при наличии погодной автоматики корректировать его в зависимости от погодных условий.
Особенности эксплуатации
Главными эксплуатационными особенностями систем отопления с газовыми котлами в России являются: нестабильное напряжение в электросети, низкое динамическое давление газа, жесткая вода.
От скачков напряжения в электросети, наиболее характерных для сельской местности, больше всего страдает цифровая автоматика котла. По статистике, наибольшее число отказов импортного котельного оборудования в первый год после его пуска в эксплуатацию в составе поквартирных систем отопления происходит именно по этой причине. Проблема решается установкой стабилизатора напряжения на входе, который пользователю необходимо самостоятельно приобрести.
Другой подход – использование электронезависимых котлов. Такие модели бытовых котлов присутствуют на рынке, как в зарубежном, так и в отечественном исполнении. Полное отсутствие в управлении котлом электроники и независимость от электрической сети, казалось бы, влекут за собой утрату таких преимуществ, как экономия топлива за счет работы котла в гибком автоматическом режиме, автоматический контроль теплового режима в помещении, дистанционное управление работой котла. Однако автоматическое управление работой таких котлов осуществляется котловым рабочим термостатом, а все необходимое электропитание автоматики (600 – 700 мВ на газовый клапан, рабочий и предельный термостаты) обеспечивается встроенной мультитермопарой. Многие напольные газовые котлы оснащается автоматикой безопасности, действующей без внешнего источника электропитания (рис. 5). Согласно требованиям нормативных документов, эти средства автоматизации перекрывают подачу газа на горелку и запальник в трех аварийных случаях: когда происходит затухание пламени основной горелки вследствие задувания либо по другим причинам; когда в дымоходном канале отсутствует или резко снижается естественная тяга; когда падение давления природного газа в основной магистрали ниже критического уровня.
Рис. 5 Автоматика безопасности электронезависимого котла
Дистанционное управление также возможно – для этого используется выносной настенный термостат или любое другое устройство, согласованное по нагрузке. Главный недостаток энергонезависимого котла – невозможность установки в нем циркуляционного насоса, значительно улучшающего циркуляцию теплоносителя в системе отопления и соответственно эффективность теплоотдачи на отопительных приборах. Конечно, циркуляционный насос может быть установлен на обратном трубопроводе отопления, но в таком случае все система отопления все-таки не будет электронезависимой, и при перебоях питания «циркуляционник» не будет выполнять свою функцию.
Надежно защищены от перепадов напряжения котлы, управление которыми осуществляется по упрощенной электрической схеме, в ней отсутствует электроника, а контроль пламени горелки осуществляется термопарой.
Проблему низкого давления газа в российских сетях необходимо учитывать уже в момент приобретения котла, желательно, чтобы он мог работать (пусть с потерей мощности) и при динамическом давлении в 4,5 мбар на входе. Наиболее надежными в этом отношении будут котлы, оснащенные горелкой с предварительным смешиванием газа с воздухом для горения.
Проблема жесткой воды имеет место для систем как отопления, так и ГВС. Для борьбы с жесткостью используются методы водоподготовки котловой воды. Некоторые зарубежные компании, успешно борющиеся за российский рынок, поставляют на него котлы, теплообменники которых способны сами освобождаться от накипи. Например, трубчатые теплообменники в таких котлах имеют крестообразное поперечное внутренние сечение, при расширении/сжатии их стенок за счет нагрева и охлаждения во время циклов работы оборудования происходит сбрасывание накипи и удаление ее с током теплоносителя.
Вынужденная альтернатива
По официальным данным, уровень газификации российской территории магистральным газом составляет около 70%, в городах и поселках городского типа – более 72%, а в сельской местности – около 60%. Очевидно, что если дом не газифицирован, а подвести газ обещают в неопределенном будущем, то вопрос выбора типа котла осложняется. Как уже сказано выше, решений существует несколько и у каждого свои преимущества и недостатки.
Сжиженный углеводородный газ
СУГ – один из самых перспективных энергоносителей при обустройстве автономного теплоснабжения частного дома. В эксплуатации система отопления на сжиженном газе оказывается экономически выгоднее не только системы, работающей на дизтопливе, но и электроотопления.
Если дом по площади не превышает 150 м2, то и организация системы отопления для него на сжиженном газе обойдется дешевле, чем на дизтопливе. Ведь для небольшой по мощности системы на сжиженном газе не потребуется приобретать и закапывать ниже глубины промерзания газгольдер (рис 6), а вполне можно обойтись установкой из нескольких газовых баллонов емкостью по 50 л. Более того, если подземное хранилище с газгольдером емкостью 5 м3 должно располагаться на удалении – не ближе 10 м к домовым строениям и не ближе 5 м к дорогам (при наземном расположении – 20 и 10 м соответственно), то ограничения на размещение газовых баллонов не столь значительны.
Рис. 6 Установка газгольдера для сжиженного газа
Индивидуальные (состоящие из одного-двух баллонов) баллонные установки разрешается размещать как снаружи, так и внутри зданий. Групповые баллонные хранилища сжиженного газа могут быть установлены у стен зданий не ниже III степени огнестойкости при максимальной суммарной емкости 600 л. Не разрешается установка баллонов СУГ в жилых комнатах и коридорах, цокольных и подвальных помещениях, на чердаках, в помещениях без естественного освещения, со стороны главных фасадов зданий. Возле жилого здания допускается размещать не более трех баллонных установок на расстоянии не менее 15 м друг от друга.
В составе групповой баллонной установки следует предусматривать запорную арматуру, регулятор давления газа, предохранительно-сбросной клапан, показывающий манометр и трубопроводы высокого и низкого давления. Число баллонов в групповой установке следует определять расчетом.
При этом расчеты и практика показывают, что на отопление и ГВС дома площадью 100 м2 расходуется до двух баллонов в неделю. Для месяца эксплуатации котла в отопительный сезон понадобятся восемь-девять баллонов.
Отопление на сжиженном газе оказывается полностью оправданным при дальнейшем переходе на природный газ, ведь газопроводы, подводки к дому и внутренние газопроводы в данном случае уже смонтированы и готовы к эксплуатации, остается только подвести магистральный газопровод к участку. Перевод же теплогенератора (газового котла, конвектора, камина, кухонной плиты) на природный газ с пропан-бутана не составляет труда.
Практически все представленные на рынке бытовые газовые котлы отечественных и зарубежных производителей могут работать как на природном, так и на сжиженном газе. Перевод бытового газового котла с одного вида газового топлива на другой заключается в замене форсунки (рис. 7). Большинство производителей предлагают форсунку для сжиженного газа в комплектации к котлу, если же форсунка в комплектации отсутствует, ее легко приобрести отдельно. Аналогично переводится с природного газа на сжиженный и обратно и любое другое бытовое газовое оборудование – кухонные плиты, конвекторы.
Рис. 7 Форсунки для перевода газового оборудования на сжиженный газ
Особенностью котлов, которую следует учитывать при выборе оборудования для системы отопления на сжиженном газе, является возможность работы на низком давлении газа (3-4 мбар). Это, прежде всего, важно, чтобы иметь возможность выбрать содержимое газового баллона по максимуму, ведь по мере его опустошения снижается и давление на входе в горелку.
Газопроводы сжиженного газа в российских условиях должны закладываться ниже глубины промерзания, иметь уклон в одну сторону и в нижней точке снабжаться сборником-испарителем конденсировавшегося бутана во избежание образования жидких пробок из бутана, конденсирующегося на холодных стенках опусков-подъемов газопровода.
Жидкое топливо
Котлы, работающие на жидком топливе, также широко применяются для отапливания загородных домов и коттеджей при отсутствии магистрального газа. По производительности жидкотопливные котлы наиболее близки к газовым. На рынке представлены как одноконтурные, так и двухконтурные жидкотопливные модели. Их главным недостатком является необходимость хранения запаса жидкого топлива в специальной емкости и оборудования специального помещения котельной.
Большинство моделей жидкотопливных котлов могут быть переоборудованы в газовые котлы путем замены горелки, поэтому их можно приобретать в ожидании газификации дома.
Горелка – одно из главных различий в конструкции газовых и жидкотопливных моделей. Если в газовых котлах могут применяться и встроенные атмосферные горелки, то в котлах, работающих на жидком топливе, применяются исключительно вентиляторные (наддувные) горелки (рис. 8). В них воздух в камеру сгорания нагнетается принудительно (под наддувом) за счет работы встроенного вентилятора, при этом поступление воздуха автоматически меняется, в зависимости от требуемого режима работы. Выпускаются жидкотопливные модели со встроенной горелкой (обычно модели небольшой мощности до 45 кВт), но в большинстве случаев горелку приходится приобретать отдельно. Очевидно, что при планировании перехода в дальнейшем на отапливание газом пользователь должен покупать жидкотопливный котел, работающий от навесной, а не встроенной горелки, чтобы ее можно было при подведении газопровода заменить на вентиляторную газовую.
Рис. 8 Дизельная вентиляторная горелка со снятым кожухом
С необходимостью оборудования котла указанным типом горелочных устройств связан один из недостатков жидкотопливных систем отопления – большая шумность работы вентиляторной горелки. Ведущие производители котельного оборудования предусматривают специальные меры по снижению их шумности, однако наибольшего эффекта можно достигнуть, оборудовав котельную в отдельном строении.
В ожидании газификации имеет смысл рассматривать вариант установки двухтопливных котлов, работающих как на газе, так и на жидком топливе. Они могут оборудоваться комбинированной вентиляторной горелкой, также способной эксплуатироваться на двух типах топлива, тогда замены горелочного устройства при смене вида топлива не потребуется. Комбинированные горелки предназначены для работы на газе и мазуте или на газе и дизельном топливе и могут быть легко переоборудованы с одного вида топлива на другой.
Основной сложностью, хотя и вполне преодолимой, при обустройстве системы отопления с жидкотопливным котлом является организация хранения запаса топлива и его доставки непосредственно к месту сжигания – в горелку. Для хранения жидкого топлива пользователю необходимо приобрести емкость – топливный бак (рис. 9). Применются одно- и двустенные емкости, как из полимерных материалов (полиэтилена, стеклопластика и др.), так и стальные.
Рис. 9 Батарея баков для хранения жидкого топлива
Место установки топливного бака должно быть соответствующим образом оборудовано. В частности, одностенные баки должны устанавливаться в специальный поддон для предупреждения разлива топлива при протечке, а двустенные могут устанавливаться без поддона. Двустенные емкости для хранения топлива были созданы из соображений предупреждения распространения запаха топлива за счет диффузии через пластиковую стенку бака ароматических углеводородов, а также как мера противопожарной безопасности.
От топливного бака (или батареи баков) жидкое топливо подается к горелке по топливопроводам, которые обычно выполняются из медных труб. Арматурный узел для отбора топлива включает обратные шаровые клапаны на подающем и обратном трубопроводах. Для защиты насоса горелки от засорения на топливопровод обязательно устанавливается фильтр. Кроме того, в жидком топливе всегда растворено некоторое количество воздуха, который, выделяясь из жидкой фазы при изменении давления и температуры, может нарушить нормальную работу арматуры. Поэтому на трубопроводе обязательно должны быть установлены воздухоотводчики, смонтированные как выше, так и ниже уровня топлива в резервуаре.
Твердое топливо
Твердотопливные бытовые котлы использовались весьма широко до распространения газа, но и сегодня не потеряли полностью своей ниши и, прежде всего, в сельской местности. Кроме угля, в бытовых твердотопливных котлах традиционно используются дрова. В ряде районов РФ это наиболее доступное топливо, но не самое дешевое. Кроме того, необходимо ежегодно заботиться о пополнении его запасов и выделять место на участке под поленницы, дровник, угольный склад.
Одним из главных недостатков отопления на твердом топливе принято считать низкий КПД соответствующего котельного оборудования, однако современные твердотопливные котлы хоть и не достигают эффективности наиболее продвинутых моделей газовых котлов, однако обладают достаточно высоким КПД. Если же речь идет о работающих на твердом топливе пиролизных котлах, которые также стали доступны российскому пользователю в последнее десятилетие, то КПД их еще выше – до 87% и не уступает показателям многих газовых моделей.
Большинство инноваций в области котлов, работающих на твердом топливе, ставят целью достижение более высокой энергетической эффективности их работы, и, прежде всего, за счет более полного сгорания топлива. Пиролизные котлы в этом отношении достигли наибольших высот (рис. 10). В котлах этого типа под действием высокой температуры (200-800оС) и при недостатке кислорода древесина подвергается пиролизу, разлагаясь на несгораемые золы и горючий газ (другое название пиролизных котлов – газогенераторные). Далее образовавшийся газ поступает в камеру сгорания, смешивается с кислородом и сгорает с выделением тепла. Одной-трех (в зависимости от модели и производителя) загрузок пиролизного котла достаточно на сутки его работы. Процесс характеризуется полным отсутствием сажи и очень малым количеством образующейся золы. Для прогрева топлива изначально пиролизный котел запускается в обычном режиме.
Рис. 10 Принцип работы пиролизного котла и используемое в нем топливо
Другой распространенной в Европе перспективной технологией использования древесного топлива является применение его в виде гранул (пеллет). Такие легкие гранулы, приготовленные из мелких опилок, по сути, древесной пыли, содержат значительное количество воздуха, что обеспечивает их быстрое и полное сгорание в топке котлоагрегата. Загрузка гранул в котел производится автоматически из заполненного ими бункера (рис. 11). Котлы, работающие на таком топливе, экономичны, обладают высоким КПД и высокими экологическими показателями. Котел мощностью всего в 100 кВт, работающий на пеллетах, обеспечивает такой выигрыш в экономии средств на топливо, что оказывается конкурентоспособен с аналогами по мощности, работающими на любых других видах топлива.
Рис. 11 Схема работы пеллетного котла
Для установки в ожидании газификации подходят и так называемые универсальные котлы. Конструкция универсальных котлов в дополнение к камере для сжигания твердого топлива предусматривает возможность установки газовой или жидкотопливной горелки.
Электричество
Надежной, но не дешевой альтернативой всем энергоносителям, использующимся для получения тепла, является электричество. Электрические отопительные котлы давно и успешно применяются для отопления частных домов в негазифицированных населенных пунктах. Современные их модели – эффективные теплоагрегаты, которым доступны большинство возможностей газовых котлов, а в некоторых отношениях электрические котлы их даже превосходят. Электрический котел не образует вредных выбросов в атмосферу, не выжигает кислород, крайне прост в монтаже, не требует для установки отдельного помещения и организации дымоотвода, как и подвода воздуха для горения, удобен и прост в эксплуатации, для него отсутствуют проблемы доставки и хранения топлива.
Рис. 12 Схема электрического котла: 1 – электрошкаф; 2 – контрольные лампы; 3 – регулятор температуры; 4 – термометр/манометр; 5 – выключатель мощности; 6 – главный выключатель; 7 – расширительный бак; 8 – кабельный ввод; 9 – предохранительный клапан; 10 – насос; 11 – обратная линия котла; 12 – штекерное соединение контура регулирования; 13 – предохранительный ограничитель температуры; 14 – предохранитель системы управления; 15 – воздушный клапан; 16 – облицовка котла с теплоизоляцией; 17 – реле давления воды; 18 – нагревательные стержни; 19 – подающая линия котла
Существует два типа электрических котлов – электродные и ТЭНовые, подавляющее большинство присутствующих на рынке моделей относятся ко второму типу. В современных моделях электрических котлов, которые внешне часто напоминают газовые «настенники», часто объединяются в едином корпусе нагревательный элемент с теплообменником, расширительный бак и циркуляционный насос (рис. 12). Большинство электрокотлов одноконтурные, но есть и двухконтурные модели. Выпускаются модели как со ступенчатым, так и с плавным регулированием мощности. Электрические котлы оснащаются программируемой погодозависимой электронной автоматикой.
Статья из журнала "Аква -Терм" № 1/2020. Рубрика "Отопление и ГВС".
