Конденсационные бытовые котлы: проблемы и перспективы

Очень часто как в среде специалистов по отоплению, так и в средствах массовой информации можно встретить словосочетание «бытовой котел», однако термин «бытовой котел» как совокупность признаков, выделяющих класс таких котлов из множества отопительных водогрейных котлов, сам по себе является достаточно спорным. Классическое или стандартизованное определение отсутствуют. Наиболее распространенное толкование этого понятия опирается, с одной стороны, на раздельное существование двух стандартов на отопительные котлы – номинальной теплопроизводительностью до 100 кВт и свыше 100 кВт, а с другой стороны, – на основную область применения и условия эксплуатации этих котлов – теплоснабжение небольших зданий, эксплуатация без привлечения специализированного персонала. Без энтузиазма согласимся с традицией и будем считать, что все, изложенное ниже, относится к отопительным водогрейным котлам номинальной теплопроизводительностью не более 100 кВт, работающим на органическом топливе.

Немного теории

Как показывает опыт, до сегодняшнего дня далеко не все, кому это положено, свободно владеют необходимым объемом информации о процессе конденсации водяных паров и, что особенно важно, о количественных характеристиках этого процесса. Поэтому, попросив извинения у квалифицированного читателя, кратко изложим важнейшие теоретические аспекты.

1. В продуктах сгорания углеводородного топлива наряду с диоксидом углерода, азотом и другими компонентами имеется водяной пар.

2. Содержание водяного пара в продуктах горения зависит, главным образом, от элементного состава и влажности топлива, а также, правда, в значительно меньшей степени, – от влажности воздуха, подаваемого для горения.

3. Объемная доля водяного пара в неразбавленных (при коэффициенте избытка воздуха, равном 1) продуктах сгорания некоторых распространенных топлив составляет:

антрацит донецкий – 5,4%;

каменный уголь кузнецкий слабоспекающийся – 9%;

мазут, нефть – 13,3%;

бурый уголь подмосковный – 19,3%;

природный газ – 20%;

дрова – 25,3%;

торф – 28,8%.

4. Точка росы – температура парогазовой смеси, при которой наступает состояние насыщения водяного пара, начинается конденсация водяного пара и выпадение его в виде росы.

5. При конденсации пара выделяется теплота конденсации, равная скрытой теплоте парообразования и зависящая от давления (температуры насыщения); для водяного пара в диапазоне температур 40–60 град. она составляет 575–563 ккал на 1 кг водяного пара.

6. Парциальное давление водяного пара в продуктах сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха; увеличение коэффициента избытка воздуха (разбавление дымовых газов) ведет к уменьшению влагосодержания и парциального давления водяного пара и снижению точки росы.

7. При коэффициенте избытка воздуха, равном 1, точка росы для природного газа составляет около 60 град, при 1,6–52 град., при 2,0–48 град.

8. Теплота конденсации водяного пара учитывается при определении теплоты сгорания топлива:

низшая теплота сгорания определяется с учетом того, что водяной пар находится продуктах сгорания в перегретом виде, высшая – полностью сконденсировался.

9. При сгорании 1 куб.м природного газа образуется примерно 2,15 куб.м, или 1,72 кг, водяного пара, при полной конденсации которого выделяется около 1000 ккал теплоты, что составляет около 12% низшей теплоты сгорания.

10. Полная конденсация водяного пара из продуктов сгорания в реальных газовых котлах не происходит.

11. За счет конденсации водяного пара и более глубокого охлаждения продуктов сгорания КПД специализированного конденсационного котла или котла, работающего в конденсационном режиме, может быть увеличен примерно на 15%.

12. За счет частичного растворения диоксида углерода, содержащегося в продуктах сгорания, конденсат является, как правило, слабокислым; водородный показатель конденсата зависит от вида топлива, конструкции теплообменника, коэффициента избытка воздуха, конечной температуры конденсата и составляет для газа 4–6, для жидкого топлива 3–4 и менее.

13. В конденсате частично растворяются и другие вредные составляющие продуктов горения, поэтому вредные выбросы в атмосферу (оксид углерода, оксиды азота, бензпирен) для конденсационных котлов меньше, чем для традиционных.

Из этого следуют очевидные выводы:

а) конденсация водяного пара и глубокое охлаждение продуктов сгорания – единственный серьезный ресурс экономии топлива в теплогенераторах различного назначения;

б) необходимым условием конденсации является наличие «холодного источника», в рекуперативном, или поверхностном, теплообменнике температура стенки должна быть ниже точки росы;

в) любой котел при отсутствии рециркуляции горячей воды в обратную линию часть отопительного сезона работает в конденсационном режиме;

г) конденсационный теплообменник или его конденсационная часть должна быть изготовлена из материалов, устойчивых против коррозии в слабокислой среде.

д) для достижения более полной конденсации желательны специальные конструкторские решения, например применение развитых поверхностей нагрева с минимальной температурой стенки.

Почему бытовые?

Теоретические аспекты конденсации водяного пара из продуктов сгорания, изложенные в предыдущем разделе, относятся ко всем без исключения теплогенераторам. Соответственно экономия топлива за счет выделения теплоты конденсации водяного пара возможна в любых установках, работающих на углеводородном топливе, при охлаждении продуктов сгорания до температуры ниже точки росы. Здесь возникает совершенно справедливый вопрос о том, каким образом охладить продукты сгорания. И если в больших теплоэнергетических хозяйствах ответ на этот вопрос ищут и, возможно, находят в сложной схеме, потребляющей теплую воду для технологических нужд в больших количествах, то в условиях сельского дома или одной квартиры вопрос решается значительно сложнее.

Главная сложность состоит в том, что нагрузкой котла в этом случае является только система отопления и горячего водоснабжения дома. Что касается температуры воды в системе отопления, то типичным, общепринятым для отечественных условий является график 95–70 град. (средняя температура воды составляет 82,5 град.), при этих температурах воды тепловой поток отопительных приборов, труб и других элементов системы отопления компенсирует теплопотери здания при расчетной для отопления температуре наружного воздуха. В режиме «лето», то есть при работе котла на водоподогреватель системы ГВС, температура воды в котле существенно зависит от типа (проточный, емкостной), конструкции водоподогревателя, его размеров, принятой схемы регулирования мощности горелки и других факторов. Для простоты будем считать, что температура котловой воды в режиме «лето» такая же, как в режиме отопления в средней части отопительного графика.

Легко видеть, что котел в обычной системе отопления в холодное время года не работает в конденсационном режиме, так как температура стенки существенно превосходит точку росы. Конечно, в некоторой части отопительного графика минимальное условие для начала конденсации – температура обратной воды ниже точки росы – соблюдается, но это всего лишь часть графика, которая для предотвращения коррозии требует применения специального котла, то есть удорожания системы; при этом использование принципа конденсации с целью экономии топливных ресурсов реализуется не в полном объеме. Поэтому при подключении многих типов котлов (главным образом, стальных) в соответствии с инструкциями изготовителя применяют линию рециркуляции с терморегулятором, поддерживающим температуру воды на входе в котел на уровне 55–60 град., что практически исключает возможность конденсации при любых нагрузках.

Следовательно, для максимальной экономии топлива необходимо обеспечить возможно более низкую температуру стенки хвостовых поверхностей нагрева котла. В предложенных условиях имеется всего лишь одно решение – перейти на низкотемпературную систему отопления, температурный график которой гарантирует возможность конденсации даже при максимальной нагрузке системы.

Таким образом, оценку (по крайней мере, ее экономическую часть) эффективности применения бытовых конденсационных котлов следует проводить с учетом затрат не только на котел и его вспомогательное оборудование, но и иные компоненты системы, единовременные и (или) эксплуатационные затраты на приобретение и содержание которых зависят от температурного графика.

Технико-экономическое обоснование

В последние годы проведение технико-экономических расчетов осложнено многими факторами, важнейшими из которых являются нестабильность цен, в том числе и в валюте, а также большой разброс рыночных цен на импортные и отечественные товары и услуги раскрученных брэндов и новичков рынка. Поэтому результаты приведенного ниже расчета не следует считать окончательным приговором в пользу того или иного из сравниваемых вариантов. Безусловно, при проектировании конкретной системы отопления целесообразно выполнить такой расчет на основании фактических цен на оборудование и топливно-энергетические ресурсы. Однако в нашем случае и грубая оценка представляет определенный интерес.

Рассмотрим конкретный коттедж, оборудуемый системой водяного отопления в двух вариантах:

1) температурный график 90-–70, обычный газовый настенный котел номинальной теплопроизводительностью 32 кВт с КПД 90% (максимальная температура воды на выходе из котла ограничена величиной 90 град., так как практически ни один бытовой котел, в особенности импортный, не работает длительно при температуре воды более 90 град. – отключается автоматикой безопасности);

2) температурный график 70-–50, конденсационный газовый настенный котел номинальной теплопроизводительностью 32 кВт с КПД 105%.

Настенные котлы выбраны потому, что составляют абсолютное большинство рынка конденсационных котлов.

Для простоты будем считать, что в обоих сравниваемых вариантах

а) используются котлы с закрытой камерой горения, то есть обеспечивается умеренный избыток воздуха и одинаковы расходы по устройству дымовой трубы и внутренних газоходов;

б) применены однотипные отопительные приборы;

в) все отопительные приборы включены в идеальную двухтрубную систему, то есть средняя температура воды во всех приборах одинакова;

г) топливо – природный газ; цена 1000 куб.м природного газа с теплотой сгорания 8000 ккал/куб.м составляет 35 (сегодня), 60 (2005 год) и 100 (не столь удаленная перспектива) долларов;

д) цена отопительных приборов пропорциональна (например, в случае секционных радиаторов) номинальному тепловому потоку, который согласно отечественным стандартам соответствует температурному напору 70 град., и составляет 40 (предельно дешевые), 80 (средний уровень) и 140 (люкс) долларов за 1 кВт установленного номинального теплового потока;

е) годовое число часов использования номинальной теплопроизводительности – 4000, общепринятая величина для котлов с нагрузкой «отопление + горячее водоснабжение»;

ж) КПД котла не зависит от нагрузки;

з) расчетная температура в помещении 20 град.

Кроме того, для упрощения положим, что цена обычного котла с участком рециркуляции из подающей линии в обратную равна цене конденсационного котла (априорное несоответствие сегодняшним реалиям – как правило, конденсационный котел дороже).

Таким образом, годовая экономия природного газа по варианту 2 в сравнении с вариантом 1 составит 2,18 тыс. куб.м, что в денежном выражении эквивалентно экономии 76 (сегодня), 131 (2005 год) и 218 (не столь удаленная перспектива) долларов в год.

Определим потребное количество отопительных приборов и соответствующее увеличение единовременных капитальных затрат в сравниваемых вариантах, полагая, что показатель степени в формуле для определения теплового потока равен 1,3, что справедливо для большинства секционных радиаторов с межосевым расстоянием 500 мм.

Опуская очевидные промежуточные вычисления, получим увеличение капитальных затрат на отопительные приборы 1086 (предельно дешевые), 2171 (средний уровень) и 3799 (люкс) долларов.

Разделив увеличение капитальных затрат на уменьшение эксплуатационных расходов, получим срок окупаемости дополнительных капвложений по всем сопоставляемым вариантам:

Вспомнив, что в СССР при аналогичных расчетах для систем коммунальной энергетики применялся нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений 0,12 (нормативный срок окупаемости 8 лет), получим

вывод №1:

применение низкотемпературных систем отопления с конденсационным котлом на природном газе экономически нецелесообразно сегодня и станет целесообразным начиная с 2005 года, когда произойдет существенное повышение цен на газ, при условии применения отопительных приборов нижнего ценового уровня.

Этот вывод наглядно иллюстрирует, почему в прежние годы конденсационные котлы и другие устройства, использующие теплоту конденсации водяного пара, не находили широкого применения, в то время как на Западе имела место противоположная картина. Очевидная причина – несоответствие уровня цен на топливо и металлопродукцию.

Если вспомнить, что эксплуатационные расходы при пользовании сжиженным газом или жидким топливом в 5 и более раз выше, чем для природного газа (сегодня, например, единица теплоты дизельного топлива дороже природного газа примерно в 12 раз), легко получим

вывод №2:

применение низкотемпературных систем отопления с конденсационным котлом на сжиженном газе или жидком топливе экономически целесообразно уже сегодня и будет становиться источником все более существенного снижения затрат на отопление и горячее водоснабжение по мере дальнейшего роста цен на энергоносители.

Дополнения в пользу низкотемпературных систем отопления с конденсационным котлом

Улавливание части вредных выбросов конденсатом может быть одним из аргументов в пользу конденсационного котла, если объект находится в зоне с неблагоприятным фоновым уровнем загрязнения атмосферы.

Низкотемпературная система отопления способствует повышению комфортности в помещениях не только в части уменьшения интенсивности излучения, устранения неприятных запахов горелой пыли и проч., но и благодаря более полному перекрытию оконных проемов и уменьшению струй холодного воздуха, распространяющихся в помещение по краям окна.

Вместо заключения

Данная публикация является попыткой оценить экономические перспективы низкотемпературной системы отопления с конденсационным котлом и не претендует на окончательность выводов. В любом реальном случае необходимо выполнить несложные расчеты на основании фактических цен, тарифов и технических характеристик оборудования. При этом автор считает необходимым обратить внимание на то, что в таком расчете должны использоваться только достоверные источники информации. Не следует верить в то, что КПД конденсационного котла может быть на 30% выше, чем для обычного (информацию такого рода можно иногда встретить в рекламных материалах, особенно электронных).

В соответствии с законом РФ «Об авторском праве и смежных правах» какое-либо воспроизведение третьими лицами без согласия автора данного материала не разрешено.
© Имя правообладателя исключительных авторских прав – ООО РАЦИОНАЛ, год первого опубликования – 2004