Рекордсмены по теплу

Перед покупателем любой тех­ники, да и вообще любой вещи, особенно на стадии покупки, по­стоянно возникает дилемма «что лучше»? Купить что-то простое и недорогое или более интерес­ное (на данный момент), но и сто­ящее дороже? Точного ответа на этот вопрос не бывает, он за­висит от ряда других факторов, из которых экономические сооб­ражения — не всегда самые важ­ные.

Текст: Максим ГРИБОЕДОВ.

Применительно к рынку товаров дли­тельного пользования в спор вступает ещё один фактор: стоимость владения, обслу­живания и вообще затраты на эксплуата­цию. Но чтобы определиться с выбором, надо представлять, какие предложения вообще существуют, и чем одно отличается от другого. Иногда разница есть, и доволь­но серьёзная.

Для отопительной техники этот фак­тор — один из самых важных. Берётся она надолго, стоит недёшево, причём за­трат энергоносителей (другими словами, собственных средств) требует немалых, в итоге эти затраты окажутся во много раз больше стоимости самой техники. И даже выбор есть. Простой отопительный котёл стоит недорого, а отопительный конденса­ционный котёл обойдётся дороже. И поку­патели найдутся на любой из них. Первые могут работать с КПД в районе 90 %, а вто­рые — до 110 %.

КПД 110 %? НИКАКОЙ ОШИБКИ!

Со школы всем известно, что коэффи­циент полезного действия любой систе­мы не может превышать ста процентов. Равняться этой цифре он тоже не может: неизбежны всевозможные потери. Тем не менее применительно к конденсацион­ным котлам часто можно встретить значе­ние КПД порядка 106—109 %, иногда чуть больше или меньше. Ошибки тут нет, про­сто считают немного по-другому. Для объ­яснения этого явления нужно понимать, что можно получить от котла, и какие тут есть «подводные камни».

При сгорании любого органического то­плива образуется водяной пар, углекислота и тепло. Если вспомнить школьные уроки химии, на ум придёт мантра: «плюс цэ-о-два, плюс аш-два-о». Потом, на следующих уроках химии, к этой формуле ещё добав­ляют слова «плюс ку». «Ку», т. е. Q — это выделившееся тепло. Этому Q мы можем сказать наше «ку» и присесть перед ним. Погреться.

Но данная формула, какие бы коэффи­циенты и цифры в неё не входили, полно­стью справедлива лишь до того момента, пока продукты сгорания (включая тепло­ту) ещё не разделились. Углекислый газ нас не интересует, а с водяным паром всё ин­тереснее. При снижении его температуры начинается процесс конденсации — пере­хода пара в жидкость. И при этом, уже безо всякой химии, в соответствии с за­конами физики выделяется дополнитель­ное тепло. Это так называемая скрытая теплота конденсации, она же высшая те­плота сгорания (в этих двух определениях некоторые слова могут комбинироваться, смысл не изменится), которая не учитыва­ется в простых расчётах и не используется в простых котлах конвекционного (тра­диционного) типа. Между тем её значе­ние не так уж мало. Для природного газа (метана) высшая теплота сгорания со­ставляет примерно 11 % от количества тепла, получаемого только при сгорании топлива (низшей теплоты сгорания). Для часто применяемого в системах отопле­ния дизельного топлива прибавка составит около 6 %, для сжиженного газа (пропан-бутана) — 9 %. Эта теплота есть у всех видов органического топлива, но другие виды топлива, как жидкого, так и твёрдо­го, дают ещё меньшую прибавку. Найти данные и по высшей, и по низшей тепло­те сгорания несложно, по крайней мере для топлива с однородным химическим составом. Так что с учётом высшей тепло­ты сгорания КПД установки, работающей на органическом топливе, вполне может быть выше 100 %. Если, конечно, установка способна «собрать» это тепло и эффектив­но его использовать.

ГДЕ ЭТО РАБОТАЕТ?

Чтобы использовать скрытую теплоту сгорания топлива в любой установке, нам сначала нужно знать, зачем оно нам может понадобиться. Здесь в основном применим принцип «чем мощнее устройство, тем больше смысла в усложнении системы». А сжигают топливо почти исключительно для трёх основных целей: перемещения, выработки электроэнергии или отопления. В первых двух смысл в сборе этого тепла есть только, когда речь идёт об очень боль­ших установках, а третий вполне годится и для «частника».

В транспортной сфере, скажем, у авто­транспорта (в котором тоже используется сгораемое органическое топливо) теорети­ческий выигрыш мизерный: КПД двигате­ля внутреннего сгорания далёк от 100 %, большая часть энергии тратится на на­грев самого двигателя, который надо ещё и охлаждать. В таких условиях пытаться утилизировать теплоту конденсации бес­смысленно, даже теоретическая прибавка никому не нужна. Система отбора тепла конденсации ДВС имеет смысл только для каких-то очень больших моторов, на­пример судовых корабельных установок: расход топлива большой, тепла выделяется много, в том числе и с выхлопными газами. Собрать его и

использовать для каких-то дополнительных целей вполне реаль­но, хотя и потребуются дополнительные устройства.

На энергетических установках большой мощности (например, ТЭЦ или электро­станциях иных типов) — то же самое: смысл в сборе и применении максималь­ного количества всех видов энергии по­является с возрастанием масштабов, т. е. мощности. Пусть даже основная цель — выработка электроэнергии, а это тепло, как в случае с генераторными установками, — побочный продукт. С помощью различных способов ему можно найти применение.

А вот с системами отопления всё не­много иначе. Если топливо сжигается для того, чтобы «погреться», логично, что со­бирать его можно «по максимуму». В дело пойдёт всё. Даже если речь идёт об отопле­нии совсем небольших масштабов, напри­мер частных домов. Есть ряд ограничений, но использовать конденсационные котлы для этих целей вполне реально и экономи­чески выгодно. Конечно, и тут чем больше мощность (и расход топлива), тем больше можно получить выгоды. Однако делать си­стемы домашнего отопления рентабельно только в случае, если для обогрева исполь­зуется газ или жидкое топливо. Для твёрдо-топливных котлов использование высшей теплоты сгорания проблематично: её по­просту очень мало. Правда, при примене­нии твёрдого топлива есть одна маленькая хитрость. Упомянем о ней позже.

КАЧЕСТВО ТОПЛИВА

Реальный КПД любого котла будет за­висеть от многих факторов, и качество топлива — тот параметр, которым поль­зователь управлять не может. В самом то­пливе этих примесей немного, в сумме — всего несколько процентов, Но учитывать их приходится. В природном газе больше всего метана, в меньшем количестве встре­чаются пропан и бутан, в сжиженном основной компонент — смесь пропана и бутана, дизельное — смесь более тяжё­лых углеводородов. Помимо этого, любое топливо содержит некоторое количество молекулярного азота, кислорода, воды. Эти компоненты влияния на горение не оказы­вают, считаются «балластом». К вредным примесям относятся, прежде всего, соеди­нения серы, азота, фосфора. В следовых количествах встречаются и иные вещества. Кстати, в воздухе для горения они тоже есть, хотя и в незначительных количествах. Эти соединения в основном не горят, тепла от них ждать незачем, но они могут всту­пать в химические реакции в процессе горения. Если речь идёт о традиционном котле — при нормальном качестве топлива концентрация «активной химии» на воз­духе окажется настолько незначительной, что и говорить о ней незачем. Другое дело, если котёл конденсационный: эти веще­ства будут аккумулироваться в конденсате вместе с водой. В итоге вместо воды мы по­лучим химически активную смесь. Отсюда возникают две проблемы: в обычном котле и его дымоходе образование конденсата недопустимо, а в конденсационном все элементы, на которых образуется (и по ко­торым удаляется) конденсат, должны быть устойчивы к его длительному воздействию.

Что же касается твёрдого топлива, по­лучаемого из растительного сырья, то в его состав обязательно входит вода: влажность может составлять десятки процентов. При горении немалая часть энергии расходует­ся на нагрев и испарение этой воды. Тео­ретически, если её сконденсировать, мож­но получить дополнительную энергию. Но на практике, по крайней мере в систе­мах домашнего отопления, это слишком сложно. Автоматически дозировать подачу твёрдого топлива нельзя, эффект будет не­велик. Исключение — пеллетные котлы, топливом в которых служат древесные гранулы. Но и среди них конденсацион­ные модели практически не встречаются. К тому же эти котлы правильнее называть рекуперационными: в таком конденсате практически нет воды, образовавшейся при сгорании топлива, основной вклад вносит вода, которая «уже была». Конечно, в больших системах рекуперацию приме­няют, но это не котлы, а отдельные от них устройства.

ПОТЕРИ ТЕПЛА В КОТЛЕ

Рассмотрим любой конвекционный ото­пительный котёл. Какой — неважно. Если принять количество тепла, выделившегося при сгорании топлива в котле, за 100 %, те­пловой баланс будет выглядеть примерно следующим образом.

Основная часть тепловой энергии пой­дёт туда, куда нужно — на нагрев жидко­сти в системе отопления. Некоторая уйдёт «в трубу» и будет безвозвратно потеряна. Ещё какая-то часть энергии израсходуется на нагрев корпуса котла. Не всегда можно считать её потерями, ведь сам котёл стоит в котельной, на кухне или в жилом поме­щении. Это тепло всё равно пойдёт на обо­грев, разве что управлять им мы не смо­жем. В конце концов в сельской местности и сейчас не редкость стальные или чугун­ные котлы вообще безо всякой облицовки, эдакий симбиоз дровяной печи и жидкост­ной системы отопления. Но даже в случае современного газового отопительного кот­ла его КПД будет составлять порядка 90 %. Увеличить КПД можно, но всего на не­сколько процентов.

В принципе чем сильнее охлаждаются дымовые газы в котле, тем больше энер­гии будет использовано по назначению. Но чем «холоднее» выходящие газы, тем сложнее «отобрать» у них тепло. Система усложняется, а добавка небольшая. А ещё нам надо учесть, что котёл может работать при разной температуре воздуха, в разных режимах, но дело в том, что ни в дымоходе,

ни тем более в самом котле процесса кон­денсации быть не должно. Напомним, что конденсат химически довольно активен, а материалы конвекционного котла и тем более дымохода не рассчитаны на взаимо­действие с ним. Температура газов на вы­ходе из котла может составлять порядка 150—200 °C, у старых моделей — выше, у некоторых современных (низкотемпера­турных) — ниже, около 100 °C. Остальное тепло в буквальном смысле слова «улетает в трубу». Разумеется, конденсация про­исходит где-то «после дымохода», но нам от этого никакой пользы. Впрочем, вреда тоже нет.

У конденсационных котлов в этот тепло­вой баланс добавляется энергия высшей теплоты сгорания. Всю её, естественно, тоже собрать не удастся, какие-то потери будут и тут. Полностью «осушить» дымо­вые газы нереально. Зато добавится некоо-торое (хотя и небольшое) количество теп­ла от более сильного охлаждения дымовых газов. Потери через корпус самого котла, в общем, тоже есть резон уменьшить, ис­пользуя улучшенную теплоизоляцию (как минимум не хуже, чем на традиционных котлах). Дело ещё и в том, что конден­сационный котёл обычно имеет больше «шумных» элементов, чем обычный. Шум от горелки, насосов и вентиляторов как раз легко снизить с помощью теплоизолирую­щего кожуха.

В сумме КПД такого котла вполне мо­жет оказаться на уровне 108 — 109 % (при работе на природном газе), ведь темпера­тура дымовых газов на выходе окажется достаточно низкой. Разница в использова­нии тепла в сравнении с традиционным котлом может составлять примерно 15 %. Правда, это только в теории и при соблю­дении ряда условий. При работе котла в си­стемах отопления нужно рассматривать их совместно.

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ КОТЕЛ И ОТОПЛЕНИЕ

Маленькая хитрость

Здесь для начала представим, что котёл состоит из двух раздельных блоков сбо­ра тепловой энергии (на самом деле это не всегда так, по крайней мере в систе­мах индивидуального отопления). Первый блок по своим функциям полностью ана­логичен традиционному котлу: горелка, камера сгорания и некий теплообменник. Требование, по большому счёту, тут только одно — жаростойкость. Конденсат заведо­мо не образуется, беспокоиться о корро­зии узла незачем. Горячие газы попадают во второй блок — теплообменник, где ин­тенсивно охлаждаются и в котором выпа­дает конденсат. Здесь, во-первых, темпера­тура ещё достаточно высока, а во-вторых, материал должен быть кислотоустойчи­вым, ведь конденсат представляет собой слабый, но всё же раствор кислот, да ещё и довольно горячий.

Чем больше тепла отберётся в этом, вто­ром теплообменнике, тем эффективнее ра­ботает котёл в целом. А для этого хотя бы «на пальцах» надо составить ещё один ба­ланс. Задача теплообменника (точнее всё-таки двух, надо учитывать и тот, который есть в первом блоке) — отобрать некое заданное количество тепла. Его величина вполне определима, она соответствует те­кущей потребности для отопления (и при­готовления горячей воды, если такая задача ставится).

На входе в теплообменник у нас есть горячий газ, на выходе он должен охла­диться. В водяном контуре — наоборот: на входе холодная вода (или антифриз), которая это тепло заберёт. Мы можем ма­нипулировать только количеством тепла, т. е. подачей топлива, сжигаемого горелкой. Больше нечем. конструкцию теплообмен­ника или системы отопления «на ходу» мы изменить явно не в силах, даже насос или система насосов, которые перекачивают жидкость, имеют обычно фиксированную производительность.

Охладить дымовые газы мы можем единственным способом: забирая у них тепло и отдавая его котловой воде, входя­щей в теплообменник. И чем ниже её тем­пература, тем больше удастся собрать теп­ла. Но эта вода пришла к нам из системы отопления, совсем уж холодной она быть не может по определению.

Тут придётся вспомнить о низко- и вы­сокотемпературных системах отопления. Основные представители первых — тёплый пол, вторых — обычные радиаторы. Для первых типичная температура обратной линии (у котла она будет «входом») состав­ляет около 30 °C. У вторых — 50 °C и бо­лее. Температура конденсации дымовых газов — 55—60 °C. Понятно, что в первом случае конденсация будет гораздо более эффективной, в теории — до 109—110 %. Ну а если температура жидкости в об­ратной линии совпадает или хоть немного выше температуры конденсации, рассчи­тывать на чудеса не стоит. В этом случае тот же самый котёл хоть и окажется более эффективным, чем традиционный, но вы­игрыш составит не теоретически возмож­ные 15, а где-то 5 %, а КПД — в районе 96— 99 %. Немало, если не принимать в расчёт усложнение системы. А если принимать, то стоит посчитать, насколько такой выи­грыш экономически целесообразен.

Кстати, попутно можно сделать ещё один вывод: раз эффективность работы конденсационного котла очень сильно зависит от условий, а менять мы, по боль­шому счёту, можем только подачу топли­ва — по сравнению с конвекционным котлом есть смысл использовать более сложные горелки и системы управления их работой.

УСТРОЙСТВО КОНДЕНСАЦИОННОГО КОТЛА

Котлы с двумя теплообменниками, основным и конденсационными, приме­няют нечасто. Это более характерно для некоторых достаточно больших и мощных моделей: конвекционная часть берётся от соответствующего котла, а «прикру­тить» к ней конденсационный теплооб­менник — дело техники.

Если для традиционных котлов неболь­шой мощности чаще всего используют плоские теплообменники (взяли горелку от духовки газовой плиты, поставили на неё радиатор, «накрыли» сверху системой га­зоудаления — вот, в общем-то, и весь ко­тёл), то для конденсационных характерен цилиндрический теплообменник: Горелка ставится с торца цилиндра. Разумеется, в конструкцию включаются устройства для сбора конденсата.

Открытые камеры сгорания для таких котлов не характерны, требуются закры­тые. Горелки — с модуляцией подачи и то­плива, и воздуха (технические особенности зависят от конструкции горелки). Мате­риал теплообменника — чаще всего сплав кремния с алюминием (силумин) либо кислотоупорная нержавеющая сталь; го­релки — нержавеющая сталь.

В остальном, если не считать более слож­ной системы контроля и управления, котлы не сильно отличаются от конвекционных. Размеры и внешний вид в одном диапазоне мощностей примерно одинаковы. Основ­ное внешнее отличие — дополнительный выход для слива конденсата: Небольшие на­стенные модели чаще всего собраны по си­стеме «всё включено»: в конструкцию вхо­дят расширительный бак, циркуляционный насос, датчики и расположенная в корпусе основная панель управления.

Если котёл двухконтурный, что часто встречается у сравнительно небольших мо­делей (разновидность исполнения), то те­плообменник может быть битермическим либо раздельным. В битермическом тепло­обменники обоих контуров изготовлены в виде единого узла, трубки системы ото­пления и ГВС расположены коаксиально, одна внутри другой (внутренняя трубка относится к контуру ГВС). В раздельном вторичный теплообменник для приготов­ления горячей воды выполнен отдельно, его нагрев производится от первичного.

Котлы с битермическими теплообменни­ками дешевле, проще, но требуют высокого качества проходящей через них воды, иначе сечение трубок быстро зарастёт накипью и эффективность снизится. Раздельные те­плообменники менее чувствительны к рас­творённым в воде солям, позволяют получить несколько большее количество горячей воды в единицу времени, но требуют введения в систему дополнительных элементов (са­мого теплообменника, трёхходового крана и устройств управления им), обойдутся они немного дороже. Обычно материал вторично­го теплообменника — нержавеющая сталь.

Многие производители предлагают в ка­честве разновидностей настенные котлы со встроенным бойлером (правда, в этом случае котлы часто становятся напольными).

С возрастанием мощности котлов их всё реже оснащают дополнительными элемен­тами арматуры: «угадать» параметры этих элементов в сложных системах отопления становится невозможным. В первую очередь из комплектации котла «исчезают» встро­енный расширительный бак и насосная группа, ещё более мощные модели не ком­плектуют и панелями управления: Безуслов­но, всё это можно купить по отдельности, выбрав узлы, наиболее пригодные именно для конкретных объектов: Если нужно, мно­гие котлы допускают возможность работы и с другими теплогенераторами: в каскаде с аналогичными котлами, совместно с сол­нечными коллекторами и т. д: Здесь всё точ­но так же, как и у котлов других типов.

Недавно на рынке появились циркуля­ционные насосы с регулируемой частотой вращения вала (и, следовательно, произво­дительностью). До этого частоту вращения можно было менять только при сервисной настройке котла, и то не всегда. Насос — деталь не очень большая, но довольно до­рогая в любом исполнении. Новинки стоят дороже обычных, к тому же требуют более сложных алгоритмов, чем просто «включил— выключил» (а значит, и управляющий кон­троллер должен поддерживать их работу). Их преимущества — пониженный уровень шума и потребления энергии и возможность более точной настройки необходимого про­тока жидкости. Можно предположить, что эти насосы в скором времени будут устанав­ливаться на большинство котлов, и в первую очередь на конденсационные.

ДЫМОХОДЫ

А вот дымоходы для конденсационных котлов должны отличаться от традиционно применяемых. Вспомним, даже при работе котла в режиме максимального сбора энер­гии, когда КПД почти не отличается от тео­ретически достижимого, какая-то часть кон­денсата всё равно не будет собрана и пойдёт дальше. А дальше у нас дымоход, который наверняка холоднее. Значит, конденсация продолжится в дымоходе: Вывод — дымо­ход должен быть из кислотоупорных мате­риалов: Обычные материалы для «конден­сационного» дымохода — кислотоупорная нержавеющая сталь или пластик: Часто встречается коаксиальное исполнение, ког­да одна труба вставлена в другую. Обычно их делают из пластмассы: температура га­зов не слишком велика, пластмасса может выдержать и больше. Конденсат пластико­вому дымоходу тоже не страшен, заодно уменьшаются расходы на монтаж. Огра­ничение — длина коаксиального дымохода не должна превышать 3—5 метров: Обычно его выводят прямо в стену. Впрочем, и тут всё, как у других видов котлов: пластиковые дымоходы могут ставиться и на традици­онные котлы: Но если в системе дымохода есть горизонтальный участок, по нему про­сто определить тип котла: у конвекционных котлов он должен иметь небольшой уклон «от котла», у конденсационных — «к кот­лу». Объяснение простое: если в дымоходе образуется конденсат, надо дать ему воз­можность для слива. Заливать конденсатом обычный котёл нет смысла, а конденсацион­ный — нет никаких препятствий, всё равно он сольётся через конденсатоотводчик.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОНДЕНСАЦИОННЫХ КОТЛОВ

Конденсационные котлы для частного использования появились на рынке не так давно. В основном они выпускаются в Евро­пе, продаются больше всего там же: Тут мы отстаём. И это очень хорошо.

В не слишком далёкие времена, когда топливо стоило копейки (и центы), смысла в конденсационных котлах для пользовате­лей не было — их сложно было окупить. С тех пор ситуация немного изменилась: топливо подорожало. И в Европе, где значительно теплее, чем у нас, в массовом порядке ста­ли ставить именно конденсационные котлы. Дело в расходах на отопление. В Европе газ для конечного пользователя стоит пример­но раз в 5—10 (зависит от страны) дороже, чем у нас. Затраты получаются солидные, никакие разницы в зарплатах (не настоль­ко большие, кстати) её не компенсируют. При такой цене газа и 15 % выгоды от ис­пользования «конденсатника», и даже 5 %, полученные «в худшем случае», быстро вы­льются в ощутимую сумму, которая покроет начальные затраты на покупку более доро­гого котла. У нас, понятно, ждать экономии придётся дольше, поэтому популярны и тра­диционные, и конденсационные.

Экономический эффект от покупки кон­денсационного котла стоит ожидать в не­скольких основных случаях. И тут снова справедлив принцип «чем мощнее (чем больше требуется тепла) — тем больше смысла». Лучше всего ставить его в новом доме, рассчитанном на постоянное про­живание, причём чем севернее, тем больше эффект. Но надо смотреть средние темпе­ратуры января в данной местности, в этом отношении с европейской частью России можно сравнивать разве что Швецию, Финляндию и Канаду, в остальных странах теплее. Чтобы получить максимальный эф­фект, в доме стоит организовать системы низкотемпературного отопления — тёплые полы. Заодно и запланировать пригодный для конденсационного котла дымоход в новом строительстве гораздо проще. Спе­циально переделывать полы и дымоходы в обжитом доме обойдётся дорого — эко­номического смысла нет.

Последнее время появилась тенденция использовать конденсационные котлы в ка­скадных установках, когда вместо одного большого котла ставят несколько, меньшей мощности. Такие котельные очень компак­тны. Это удобно и тем, что один котёл дол­жен работать весь отопительный сезон, а не­сколько — можно подключать по одиночке, по мере усиления морозов. К тому же по­вышается надёжность системы: если один котёл выйдет из строя, на время ремонта его можно отключить, и перевести нагруз­ку на оставшиеся. Для индивидуальных котельных особенных ограничений по гео­графическому расположению нет. Сложнее с котельными большой мощности, рассчи­танными на коллективное пользование. В очень холодную погоду вода даже в под­земной теплотрассе может сильно охла­диться, не дойдя до пользователя, поэтому низкотемпературное «коллективное» ото­пление у нас применимо далеко не везде, а в высокотемпературном режиме работа конденсационных котлов не очень эффек­тивна. Поэтому в северных районах общие котельные оснащают традиционными кот­лами с высокой температурой подачи.

Хорошей возможностью сэкономить бу­дет эксплуатация котлов с дополнительны­ми системами контроля и управления. Это системы погодозависимого регулирования, дистанционного управления, настройки и программирования, устройства удалённо­го контроля, доступа и управления.