В последнее время технологии, извлекающие энергию, сокрытую в земле, воде, солнечном свете или ветре, приобретают все большую популярность. На фоне этого разнообразия конденсационным котлом уже мало кого удивишь.

Как ни странно, все еще находится немало людей, которые не до конца представляют себе механизм функционирования конденсационного котла, из-за чего возникают грубые ошибки при проектировании системы отопления. В результате дорогая техника не выдает полную мощность и превращается в совершенно обыкновенный газовый котел, только более громоздкий.

Вкратце напомним [1], что из себя представляет механизм конденсации, добавляющий котлу лишние проценты мощности. Конденсация — экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода, иначе именуемая теплотой конденсации. Температура, при которой начинает образовываться конденсат, называется точкой росы. Смесь водяных паров и других газообразных соединений, из которых состоят дымовые газы, конденсируются при различных температурах, например, температуре около 55-57 °С (природный газ), 47 °С (жидкое топливо) и т.д. (табл. 1).

На рис. 1 представлен комплексный график, отражающий различные параметры работы отопительной системы. На шкале слева отложена температура подающего и обратного котельных контуров, на нижней шкале — температура наружного воздуха, на шкале справа — загруженность отопительной системы: при 100% котел работает на полную мощность. Расположение температурного графика котельного контура под линией, обозначающей точку росы, означает, что в этот момент происходит конденсация. Выше линии конденсация не происходит.

Указанная важнейшая отличительная особенность конденсационного котла подразумевает, что проектировщик не может использовать при расчете системы стандартные шаблоны и привычные расчеты. Ведь приводимые в учебных пособиях методики направлены, как правило, как раз на снижение конденсато образования, которое губительно для котла традиционного. Кроме того, имеются определенные ограничения, связанные с дымоудалением: конструкция и материал дымохода, отвод конденсата и др., а также с нагревом санитарной воды для бытовых нужд.

Различают полную и частичную конденсацию. Полная конденсация происходит, когда весь объем дымовых газов охлаждается до температуры точки росы. Частичная конденсация встречается гораздо чаще. При этом основной поток газов точки росы не достигает и улетает, так сказать, необработанным. Лишь небольшая часть, проходящая непосред-ственно вблизи стенок теплообменника, охлаждается в достаточной мере, чтобы сконденсироваться.

Данные, показывающие, насколько эффективен может быть конденсационный котел по сравнению с обычным, представлены в табл. 1.

Теоретически при сжигании 1 м3 природного газа может сконденсироваться 1,63 л воды. На основании этого значения определяется эффективность системы. Например, если, согласно показаниям газового счетчика, было израсходовано 30 м3 газа, максимально возможный выход конденсата составляет 30 х 1,63 = 48,9 л. В реальности выделилось лишь 30 л конденсата. Это значит, что эффективность системы в данном случае равна 30/48,9 = 0,613, иди 61,3 %.

Заметим, что измерения надо производить долговременно и неоднократно, потому что количество конденсата зависит от многих параметров — наружной температуры, скорости потребления горячей воды и др. При измерениях не помешает правильно оценить возможные объемы, чтобы не ошибиться с емкостью для сбора влаги. Так, при отоплении индивидуального загородного дома на одну семью в течение суток может выделиться до 15 л конденсата. Рассмотрим подробнее особенности проектирования отопительных систем, основанных на конденсационных котлах.

Снижение температуры теплоносителя

Дымовые газы охлаждаются до температуры пришедшего в котел теплоносителя, поэтому необходимо, чтобы она была ниже точки росы. Для усиления эффекта желательно, чтобы подающая линия также нагревалась до температуры не более 55-57 °С. Идеальным вариантом здесь представляется обустройство во всем доме теплых полов с температурным режимом 40/30 °С. Но по разным причинам такой вариант не всегда возможен.

В большинстве случаев холодный российский климат требует установки именно радиаторов. Обычно они рассчитываются исходя из значений 80/60 °С или даже 90/70 °С, некоторые производители дают даже вариант 100/80 °С. В нашем же случае предлагается взять из ка-талога производителя наименьшее значение температурной пары. Оно указано либо явно, либо определяется на основании имеющихся данных для других температур посредством коэффициентов пересчета по формуле [2]:

Здесь формуле Q — тепловая мощность радиатора при рабочих условиях, Вт;
Q_ном — нормированная тепловая мощность радиатора, Вт;
n — экспонент характеристики радиатора для отопления помещения, берется из таблиц технических характеристик для соответствующего типа отопительного прибора (определяется при проведении независимых испытаний и регистрации отопительных приборов);
Δt_1n — превышение температуры [°С],рассчитываемое как:

где t_v — температура подающей линии, °С;
t_г — температура обратной линии, °С;
t₁ — температура в обогреваемом помещении, °С.

Упрощенный расчет можно производить по приводимым производителем таблицам, составленным на основании немецкого норматива DIN EN 442.

В среднем при изменении температурного режима с 90/70 на 75/65 при температуре помещения 20 °С мощность радиатора уменьшается на 20%, с 90/70 на 70/55 — на 35%. Вследствие этого потребуются радиаторы с гораздо большей площадью теплообмена и, как следствие, большей емкости. Это увеличивает общий объем теплоносителя в системе и требует тщательного подбора циркуляционного насоса на основании расчетов. Эмпирический подход по упрощенным сентенциям (для котла такой-то мощности хватает такого-то насоса) уже не сработает. Также, по-видимому, потребуется и расширительный бак увеличенной емкости.

При обустройстве низкотемпературного регулируемого контура с трехходовым смесителем желательно рассчитать производительность циркуляционного насоса этого контура так, чтобы объем протекающей через него воды превышал проток через насос котельного контура. В противном случае температура обратной линии будет расти, что воспре-пятствует конденсации.

Снижения температуры обратной линии можно добиться и посредством использования обратного теплоносителя радиаторного контура в качестве подающего теплоносителя для теплых полов (подробнее об этом методе см. [4]).

Также необходимо отказаться от различных устройств, повышающих температуру обратной линии котельного контура, таких как четырехходовые вентили, байпасы, предварительный нагрев и т.п. Если только они не выполняют защитную функцию (уже упомянутый регулятор перепуска). Большую помощь в поддержании стабильно низкой температуры воды в котле оказывает погодозависимое и комнатное регулирование, суточной программирование.

Снижение скорости циркуляции теплоносителя в системе помогает, но до определенной степени. У любого котла, и конденсационный — не исключение, существует параметр, именуемый «минимальный проток через котел», при несо-блюдении которого вода в трубках закипает и теплообменник разрушается. Для предотвращения кипения в котле, конеч но, установлена соответствующая защита, отключающая подачу газа при внештатных ситуациях, но, во-первых, она может не сработать, а во-вторых, подобная эксплуатация прибора «на пределе» сокращает срок его службы и не гарантирует расчетный прогрев помещений.

Обезопасить котел от закипания можно с помощью регулятора перепуска, который в критической ситуации сбросит часть нагретой воды в подающую линию. Необходимо, однако, помнить, что это снижает уровень конденсатообразо- вания или вовсе его прекращает. Иными словами, для системы и для КПД котла гораздо выгоднее правильно подобрать скорость движения теплоносителя, чем потом исправлять просчеты.

Объем теплообменника современного конденсационного котла — 2-5 л, в зависимости от типа прибора минимальный проток может составлять 400-600 л/ч, при частичной нагрузке — до 200 л/ч. Это приводит к довольно частому такто- ванию (50 тыс. раз/год) насоса и горелки по сравнению с котлами, имеющими большой объем (10 тыс. раз/год). Из этого вывод: чем тщательнее будет спроектирована система, чем больше нюансов удастся учесть на этапе планирования, тем лучше получится сберечь дорогостоящую технику.

Нагрев воды в контуре ГВС

Если температуру отопительного контура еще можно варьировать в широком диапазоне (в конце концов, нам надо по-лучить в помещении всего 20 °С, до которых чисто теоретически и можно опускаться температура обратной линии), с нагревом санитарной воды такие варианты неприемлемы. Наилучншм представляется вариант проточного нагрева горячей воды во вторичном теплообменнике с использованием во время водоразбора только крана горячей воды. Тогда вода нагреется до температуры не выше 45-50 °С, и конденсация состоится.

Для семьи из трех и более человек, однако, проточного нагрева может оказаться маловато. В этом случае целесообразно установить емкостной водонагреватель, оснащенный теплообменником. С точки зрения усиления эффекта конденсации желательно выбрать бак большего объема и нагревать в нем воду до более низких температур, по возможности не выше 60 °С. Но это еще не все. В обычном емкостном водонагревателе косвенного нагрева теплообменник расположен внутри водонагревательной емкости, причем нередко практически по всей высоте бака. Это приводит к необходимости всегда использовать для нагрева теплоноситель с максимально возможной температурой. Более низкие температуры могут привести к охлаждению уже нагретой части воды. По мере нагревания воды в баке температура обратной линии все больше поднимается, все меньше тепла отдается воде, и конденсация снижается.

Поэтому для конденсационных котлов можно рекомендовать установку бойлеров с внешним теплообменником, получивших название «водонагревателей с послойным нагревом». Принцип функционирования бойлеров обоих типов показан на рис. 2.

К преимуществам послойного нагрева относятся: практически мгновенная готовность к эксплуатации, поскольку не требуется прогрев всего объема; более низкие температуры теплоносителя (по крайней мере, обратного), достаточные для конденсации, ведь в теплообменник для нагрева всегда поступает холодная вода.

Отвод продуктов сгорания конденсатного котла

Основной проблемой при отводе продуктов сгорания является их невысокая температура, небольшая тяга, склонность к оседанию конденсата, обладающего высокой кислотностью. Поэтому стандартный, расположенный на крыше здания кирпичный или стальной дымоход здесь не подойдет. Дыму попросту не хватит подъемной силы, чтобы преодолеть высоту. Кроме того, стенки быстро придут в негодность под действием кислоты.

Для этого в имеющийся дымоход делают вставку из кислотоупорного материала. Это могут быть алюминий, бо-росиликатное стекло, керамика, огнеупорная глина шамот, нержавеющая сталь, различные полимеры.

Обычно производители конденсационных котлов предлагают также и подходящие дымовые трубы. При выборе места размещения термоблока следует также обратить пристальное внимание на максимальную длину воздуховодов, она рассчитана исходя из мощности вентилятора конкретного прибора. Превышение максимально допустимых параметров приведет к плохой тяге, недостаточному доступу воздуха для горения и неоптимальной работе системы.

Необходимо также помнить о кислотности конденсата. Конденсат состоит преимущественно из растворенных в воде оксидов углерода и различных кислот (угольной, азотной, серной). При сжигании природного газа его pH равно 3,5-5,5 (примерно как у пива или вина), жидкого топлива — 1,5-3,5 (как у лимонного сока или уксуса) из-за высокого содержания серы. Получить наглядное представление о кислотности некоторых пищевых продуктов и конденсата дымовых газов можно из следующей схемы (рис. 3).

Кислотность конденсата следует учитывать при его утилизации. При эксплуатации газовых котлов мощностью до 200 кВт конденсат обычно можно сливать в центральную канализацию. Если же используется индивидуальный септик, следует обязательно проверить, не навредят ли кислоты жизнедеятельности бактерий.

Котлы мощностью 200 кВт, а также жидкотопливные модификации производят слишком едкий конденсат, который в исходном виде не подходит для слива, его следует обрабатывать нейтрализатором (также приобретается у производителя котла).

Также немаловажным является материал канализационной трубы, по которой затем будет протекать конденсат. Кислотостойкими материалами являются следующие: керамогранит, поливинилхлорид (PVC), полиэтилен общетехнического назначения (PE-HD), полипропилен (PP), акрилонитрил-стирол-акрилат (ASA), акролонитрил-бутадиен-стирол (ABS), чугун с внутренним эмалированием, сталь с внутренним полимерным покрытием, нержавеющая сталь, а также боросиликатное стекло.

Следуя описанным в настоящей статье рекомендациям на этапе проектирования, можно получить отличные результаты после начала эксплуатации. Предварительные расчеты на бумаге дадут возможность просчитать несколько возможных вариантов, после монтажа системы сделать коррекцию будет значительно сложнее.

1. Настенные конденсационные котлы. Обзор рынка//С.О.К. (Москва), №7/2010.
2. Компания «Интерма». Каталог конвекторов 1/2010.
3. Виёегш. «Радиаторы и комплектующие 2010».
4. Повышение эффективности конденсационного котла с помощью насосных групп //С.О.К.(Москва), №9/2009.
5. УаШаЩ. «Системы с напольными котлами».
6. Интернет-сайт www.breiuiwert.mfo.

Автор: Людмила МИЛОВА