Каскадная котельная - преимущество без недостатков. Пособие для проектирования Thermona
А. Бойко
Использование нескольких газовых котлов для одной системы отопления является довольно популярным решением среди монтажных и проектировочных организаций. Рассмотрим практические вопросы относительно установки и использования таких каскадных установок
Решение об использовании нескольких газовых (два и более) котлов на одну систему отопления оправдано при тепловой нагрузке от 40 кВт. Это может быть как большая отапливаемая площадь, так и наличие тепловых нагрузок в виде бассейнов, гаражей, бань, теплиц и т. п.
Использование нескольких котлов на одну систему отопления имеет ряд преимуществ по сравнению с одним котлом, который имеет такую же суммарную мощность. Во-первых, несколько небольших котлов меньших размеров и веса намного легче и дешевле доставить в котельную, и установить там вместо одного большого и тяжелого котла. Особенно актуальным становится данный момент при монтаже крышных или полуподвальных каскадных котелен.
Кроме того, значительно повышается надежность системы. При вынужденной остановке одного из котлов система продолжит работу, обеспечивая, по крайней мере, 50% мощности (при установке двух котлов).
Среди других факторов в пользу каскадной установки - облегчение обслуживания благодаря меньшему размеру каждого котла (обслуживание каждого котла можно осуществлять без остановки всей системы); увеличение общего ресурса котлов (в осеннее и весеннее время можно эксплуатировать только часть котлов, выключив другую часть вручную или используя каскадную автоматику).
Кроме того, если в будущем будет необходимо заменить какую-то деталь, то общеизвестно, что детали для котлов меньшей мощности доступнее и дешевле за счет большей серийности производства.
Управление работой котлов в каскаде
Чаще всего для упрощения схем при совместном использовании котлов не предусмотрено никакой каскадной автоматики, а на каждом котле устанавливается требуемая температура на выходе. Но, при желании, можно применять блоки каскадного регулирования, которые подключаются на контакты, предназначенные для присоединения индивидуальных комнатных термостатов.
Соединение котлов в каскад при помощи блока каскадного управления является комплексным решением и имеет более высокую эффективность. Данный блок обеспечивает попеременную работу всех котлов и гарантирует для каждого теплогенератора одинаковое количество часов работы. Блок оптимизирует функционирование системы и обеспечивает включение только необходимого количества теплогенераторов, в зависимости от нужной мощности.
При работе с модулированными горелками блок каскадного управления, в дополнение к вышеописанному принципу, стремится обеспечить работу котлов в режиме частичной мощности (в режиме модуляции). Наиболее эффективным является применение блока каскадного управления вместе с конденсационными котлами. В этом случае мощность, выдаваемая котлами, наиболее соответствует потребляемой мощности. Например, при совместном использовании трех настенных котлов серии LUNA Duo-tec MP мощностью 100 кВт (компании BAXI (Италия)), мощность, которая выделяется, плавно меняется от 30 до 300 кВт в зависимости от потребностей системы. Это означает, что коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 1:10. Принципиальная схема такой системы показана на рис.
Рис. Схема системы отопления с каскадом котлов Luna Duo-Tec MP, одним высокотемпературным контуром, двумя низкотемпературными контурами и бойлером ГВС:
QAC 34 - датчик уличной температуры; AVS 75 - внешний программируемый модуль расширения; AGU 2.550 - внутренний модуль расширения; OCI 345 - интерфейсная плата для подключения других регуляторов по LPB-шине; QAD 36 - накладной датчик температуры; QAZ 36 - датчик температуры воды в бойлере ГВС; QAA 55 - датчик комнатной температуры; QAA 75 - климатический регулятор дистанционного управления; MV - смесительный клапан; RT - комнатный механический термостат
Конденсация
Конденсационные котлы благодаря низкому потреблению топлива в настоящее время являются наиболее экономичными установками, которые потребляют газ. Как часть каскадной системы они представляют собой новую альтернативу системам промышленного отопления.
Использование в каскадах конденсационных котлов мощностью от 45 до 150 кВт дает возможность: обеспечить большую мощность в условиях ограниченного пространства; облегчить монтаж крышных котельных благодаря малому удельному весу оборудования (на единицу мощности). Кроме того, конденсационная техника обеспечивает меньшую вибрацию и уровень шума в сравнении с традиционными котлами с наддувными горелками, а наличие встроенного вентилятора позволяет применять дымоходы малого диаметра (можно обойтись без больших дорогостоящих дымоходов).
Экологичность конденсационных котлов , а именно очень низкое содержание CO и NO x в сравнении с другими котлами на традиционных видах топлива позволяет использовать такие системы в крупных городах и природоохранных зонах. Среди недостатков конденсационной техники - высокая стоимость (которая, впрочем, компенсируется коротким сроком окупаемости по причине повышения тарифов на газ), необходимость организовывать отвод и нейтрализацию конденсата.
С учетом ошибок , которые часто встречаются при установке и обслуживании котлов, можно определить основные рекомендации относительно этого.
В частности, надо отметить, что при совместной работе нескольких котлов на одну систему отопления с переменным расходом воды (несколько отдельно регулируемых зон отопления) рекомендуется применять гидравлический разделитель («гидравлическую стрелку»).
Кроме того, при использовании котла для отопления небольшой площади (меньше 100 м 2) настоятельно рекомендуется использовать вместе с котлом комнатный термостат (для уменьшения количества включений/выключений котла). Также рекомендуется провести отдельную настройку мощности контура отопления.
В остальном рекомендации при установке каскадных котлов не отличаются от рекомендаций по монтажу других котлов. Так, перед подключением теплогенератора к системе отопления необходимо тщательно промыть все трубы котла и системы отопления для удаления возможных посторонних частиц. Настоятельно рекомендуется устанавливать фильтр на трубе возврата системы отопления и запорные краны на трубах подачи и возврата системы отопления.
Сегодня проблема отопления стоит очень остро и ее часто рассматривают, уделяя ей большое внимание. В процесс вовлечены как профессионалы так и рядовые потербители. В этом материале Вам предлагается рассмотреть решение производства тепла в новом ракурсе. Будут рассмотрены варианты и подбор котлов с учётом возможностей, которые может предоставить современная техника, внедренная в системы каскадов котлов Therm. Оптимальный выбор теплогенерирующего оборудования поможет существенно снизить расходы, не экономя на требованиях к комфорту.
Если сравнить суммы расходов на эксплуатацию жилых домов или иных объектов до установки каскадных котельных Thermona и после, то экономия средств может достигать невероятной величины - до 40% в год. Окупаемость инвестиций наступает очень быстро. Кроме высокой эффективности и плавной модуляции мощности в очень широком диапазоне, каскадная котельная может быть размещена непосредственно в отапливаемом объекте. Cистема каскада котлов реагирует точно и быстро на изменяющиеся требования к отоплению объекта и не имеет инерционныx потерь, характерных для неповоротливых центральных систем отопления, как и для котельных с одним массивным и громоздким котлом.
Что такое каскад котлов
Каскад котлов - это специальная система соединения нескольких котлов, позволяющая им работать как единому целому. Особенность конструкции котлов Тherm и их автоматики позволяет плавно увеличивать вырабатываемую мощность от 24% номинальной мощности одного используемого котла. При необходимости в увеличенной мощности (до 1440 кВт), каскадное включение котлов обеспечит большие преимущества. Прежде всего, установка котлов Therm DUO 50T, DUO 50FT, DUO 50, TRIO 90T, TRIO 90 и 45KD эффективно использует занимаемую площадь. У котельной самый высокий коэффициент занимаемой площади к установленной мощности, при этом сохраняются все преимущества каскадного подключения и бесступенчатая модуляция мощности.
В каскад можно включать не обязательно котлы одного типа KD, DUO или TRIO. Котлы можно комбинировать разной мощности, что позволяет достичь адаптации системы к реальным теплопотерям объекта и к необходимой производительности горячего водоснабжения. В отрасли отопления каскад стал новаторским способом оптимизации теплогенерирующих объектов большой мощности. Один котел большой мощности работал бы и при невысокой потребности в тепле, перегревая систему, используя каскадное включение можно включить именно то количество котлов, которое необходимо в данный момент, что регулируется электронной микропроцессорной автоматикой.
Подтверждено на практике, что в отопительный период в 80% времени мощность котла востребована только на 50%. То есть, за сезон в целом, котел используется только на 30% от максимальной мощности. Это означает, что основное время он работает на минимальной мощности с низким КПД. Тогда как каскадная схема обеспечивает необходимую мощность в данный момент времени, подключая один за другим нужное количество котлов и выводя их в оптимальный, экономичный режим. Каскадное регулирование, управляемое программно, убирает воздействие фактора разбалансировки мощности теплогенерации и необходимости в тепле потребителей. Диапазон изменения мощности каскадом позволяет постоянно работать с низкой температурой отопительной воды, что снижает потери на излучение и в период простоя системы. Увеличивается готовность и оптимизируются температурные условия отопления для повышения комфортности использования.
До недавнего времени функционирование каскадной котельной могло поддерживать только дорогостоящее оборудование, с полностью измененной автоматикой ведущего котла. Прорывом была разработанные для котлов интерфейсы коммуникации, подключаемые к стандартным платам и дающие возможность передавать информацию между котлами и плавно изменять мощность всех котлов, подключенных в каскад. Это позволило устанавливать оптимальные параметры мощности в любой момент работы и получать доступ к информации о производимых каждым котлом действиях, например, при диагностике неисправностей или при пуско-наладке каскадной котельной. Каскадная котельная - это "интеллектуальная система" с полностью автоматизированным режимом работы без присутствия "человеческого фактора".
Сегодня техническое решение с применением стандартизированного аппаратного и программного обеспечения доступно и для очень экономных хозяев.
Почему каскад
Присутствующие в настоящее время на рынке котлы могут быть в различном исполнении - котлы с одной постоянной мощностью, котлы с двумя постоянными мощностями и котлы с плавным регулированием мощности (приблизитeльно от 40% до 100% мощности). Обычно предлагаются блоки управления последовательным включением котлов ("каскадныe переключатели"), которые поочередно могут включать и выключать котлы. Стандартная схема включения - до 4 котлов в каскаде. На практике этому соответствует шаг вводимой мощности в 100 кВт, при общей максимальной 400 кВт, т.е. скачек в 25%. В противоположность этому каскад котлов THERM работает от минимальной мощности, напр. 13 кВт (45 KD) плавно до макс. мощности 400 кВт. Естественно, в этом случае расход газа будет значительно меньше. К преимуществам каскадного включения котлов, относится и большое количество вариантов возможных котельных. Можно менять как расположение котлов, так и компоновку самой котельной. Котельную можно разместить практически везде - в подвале, отдельной пристройке или на чердаке. Отдельные котлы и оборудование каскадной котельной можно устанавливать произвольно так, что котельная, как детский конструктор, точно встанет в отведенное пространство.Почему каскад из котлов THERM
Настенные котлы THERM, при одиночном использовании, плавно регулируют собственную мощность от прибл. 23% до 100% (в зависимости от типа используемых котлов) номинальной мощности. Каскад котлов THERM уникальным, но вместе с тем простым способом, дает возможность увеличить диапазон плавного изменения производительности котeльной от минимальной мощности, которую производит один котел, до максимальной мощности всех 16 котлов, подключенных каскадно. Это расширяет диапазон управления от 1,8% до 100% мощности для 16 котлов, включенных в каскад. Реализация очень проста - в каждый подключаемый котёл устанавливается коммутирующая плата интерфейса, подключаемая с помощью двух проводов к другим котлам и полноценный каскад готов. Без применения дорогостоящего каскадного переключателя. Так же просто управление каскадом в целом. Надо включить все котлы, а затем на первом установить температуру отопления. Все остальное котлы сделают "сами". Отпадает необходимость в трудоемкой и сложной настройке каждого котла, настройке управления ведущего котла и т.д. При необходимости увеличить количество котлов, надо подключить к отопительной системе еще один котел, установить в нем интерфейс, подключить два провода и запустить каскад.
Все очень просто. Достаточно на всех интерфейсах установить переключатели, в соoтветствии порядковым номером котла в каскаде, установить переключатель, находящийся в главном котле, по общему количеству котлов и каскад начнет работать. Эту первичную настройку, во избежание осложненний, должен произвести сервисный техник. В дальнейшем подобные настройки больше не производятся. В случае управления нагревом отопительной воды по наружной температуре (эквитермное регулирование), достаточно установить допольнительно только один датчик и каскадная котельная будет работать в зависимости от погодных условий. Эквитермное регулирование настоятельно рекомендуется использовать в котельных, отапливающих производственные или офисные здания, для полного исключения ошибок, связанных с действиями неподготовленного персонала.
Еще одно преимущество котлов THERM проявляется в решении вопроса горячего водоснабжения (ГВС). Один или несколько бойлеров гидравлически подключается через трёхходовой кран к котлу в каскаде, а термостат резервуара двумя проводами соответствующему котлу в каскаде и вопрос ГВС решен. Любой котел THERM, подключенный в каскад THERM, кроме управляющего котла, может греть воду для горячего водоснабжения. Тем самым максимальное количество котлов, подключенный к каскаду, которые могут нагревать воду для ГВС, составляет до 15 единиц.
- Кратко основные преимущества котлов THERM:
- исключительная эффективность инвестиций;
- экономичное и высокоэффективное решение коммуникации в каскаде;
- большая экономия расходов по сравнению с иными источниками тепла;
- полностью автоматизированная работа;
- отличная экономика эксплуатации;
- широкая модуляция мощности котельной в целом (напр. от 13 до 720 кВт);
- высокая надёжность в работе;
- простой монтаж и ввод в эксплуатацию;
- простое и наглядное техническое решение;
- простое и наглядное управление;
- оптимальная адаптация для подключения бойлера ГВС;
- малая занимаемая площадь;
- удаленные диагностика и мониторинг котельных;
- бережное отношение к окружающей среде.
Котлы, используемые в каскадных котельных
Чаще всего для включения в каскад используются котлы Therm DUO 50, DUO 50 T, DUO 50 FT, TRIO 90, TRIO 90 T или котлы Therm 45 KD. Можно включить в каскад и котлы мощностью 28, 20, 17 или 14 кВт. Техническое решение системы каскада котлов позволяет включить в каскад все котлы THERM с автоматикой управления DIMS, а это котлы с цифровым дисплеем, за исключением котлов с проточным нагревом контура ГВС. Для больших каскадных котельных, прежде всего, можно использовать котлы TRIO 90 или версию с принудительным отводом продуктов горения - TRIO 90T (преимущества DUO 50 FT). Отдельная тема - это каскадные котельные из конденсационных котлов Therm 45 KD.
Комбинация интеллектуального управления котлов Thermona и конденсационного принципа котлов приводит к резкому уменьшению расходов на отопление и нагрев контура ГВС при сохранении очень низких параметров выбросов в результате процесса сгорания газа. Первым толчком для разработки конденсационного котла THERM 45 KD было преимущественно применение его в каскадных котельных. При разработке системы каскадной котельной из конденсационных котлов специалисты компании Thermona использовали собственный опыт, полученный при проектировании систем каскадных котельных из традиционных котлов. Система каскадной котельной в целом спроектирована так, что обеспечивает конечному пользователю комплексное, продуманное решение отопления и контура ГВС. Поэтому каскад из котлов Therm 45 KD выполнит все требования, предъявляемые к источнику тепла, и не только это. Одновременно каскадная котельная позволяет и использовать полностью совместимое эквитермное управлениe без необходимости установки дополнительных систем управления или регуляторов. Сегодня не все производители могут предложить подобное решение.
Такой же каскад как из газовых котлов THERM, можно собрать используя электрокотлы Therm. Все электрокотлы THERM могут быть соединены вместе. Интеллектуальное управление каскада электрокотлов позволяет использовать в качестве источника тепла каскад с плавным регулированием мощности. Каскад из электрокотлов THERM позволяет нагревать воду для хоз. нужд в бойлере. Только системы управления каскадами газовых и электрических котлов не могут быть соединены между собой.
Характеристики котлов
Возможность подключения котлов THERM в каскад
Характеристики котлов THERM DUO 50, DUO 50T
Характеристики котлов THERM DUO 50FT
Характеристики котлов THERM TRIO 90, TRIO 90T
Характеристики котлов THERM 28
Характеристики продуктов горения котлов THERM
На сегодняшний день многие потребители в качестве основного источника тепло- и водоснабжения выбирают газовые теплогенераторы (котлы). Есть несколько видов монтажа газового оборудования:
1 . В систему отопления монтируется один теплогенератор.
2 . В систему отопления монтируется несколько теплогенераторов.
Рассмотрим вариант монтажа в систему нескольких теплогенераторов для компенсации тепловых потерь. Есть несколько видов системы управления при таком исполнении: параллельное включение каждого котла, когда каждый из котлов работает отдельно друг от друга, но на одну систему (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция и др.); и второе, каскадное включение котлов, когда оборудование смонтировано и подключено в одной общей системе тепломеханического и электрического подключения.
При этом каскад объединяется единой системой управления.
Итак, что же такое каскад? Каскад — это один из самых эффективных способов повышения предельной мощности или увеличения минимальной мощности одного аппарата, но об этом чуть позже, а пока для примера давайте рассмотрим работу индивидуального теплового пункта.
Как показывает практика, на максимальную тепловую нагрузку оборудование работает от трёх до пяти месяцев в году с номинальной тепловой нагрузкой от 60 до 100 %, оставшееся же время оборудование работает на пониженной мощности (от 40 до 60 %). Возьмём за основу межотопительный период с марта по сентябрь и площадь отапливаемого помещения 1000 м 2 или же нагрев воды в системе горячего водоснабжения. По усреднённым расчётам, 1 м 3 сжигаемого газа обеспечивает примерно 10 кВт мощности котла. Значит, если у вас в качестве отопительного прибора используется один котёл мощностью 100 кВт, то его минимальная нагрузка составит 50 кВт, что равняется среднему расходу 5 м 3 газа в час. Если же у вас в системе подключён каскад из трёх котлов с мощностью 36 кВт каждый, то, как показывает практика, включаться будет один из теплогенераторов с минимальной нагрузкой 10,6 кВт, что равняется среднему расходу газа 1,6 м 3 в час. Как следствие, при работе в системе одного газового теплогенератора с такой минимальной нагрузкой в межотопительный период его расход газа составит практически в три раза больше по сравнению с каскадным включением котлов, а это увеличение финансовых затрат.
Типовые схемы монтажа газогорелочного оборудования (каскад) таковы.
Первый — это простой каскад. Данная схема включает в себя газовое оборудование с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками. При монтаже такой схемы оборудование работает по следующему принципу: сначала включается первая ступень горелки с номинальной мощностью 70 % (от суммарной мощности котла), а если данной мощности недостаточно для компенсации тепловых потерь, то в работу подключается вторая ступень с мощностью 100 %.
Второй — это модулируемый. Данная схема монтажа является более экономичной. Она объединяет в себя оборудование с модулированными горелками. Имеется возможность в плавном режиме изменять объём подачи топлива и способность регулировать теплопроизводительность в достаточно широком диапазоне. То есть оборудование включается с минимальной тепловой нагрузкой 40 % и при необходимости плавно увеличивает её до мощности в 100 % с шагом в 1 %.
Основные преимущества каскадной системы с двумя и более газовыми котлами перед обычными системами, в которых в качестве отопительного оборудования используется лишь один газовый котёл, таковы.
Во-первых, управление работой газового оборудования должно осуществляться при помощи блока каскадного управления или же другой автоматикой. Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (ПИД) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает её с расчётным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить.
Один из котлов каскада выполняет роль «ведущего» и включается в первую очередь, остальные, «ведомые», подключаются по мере необходимости. Автоматика управления позволяет передавать роль «ведущего» от одного котла к другому, а также осуществлять очерёдность включения «ведомых». Также автоматика осуществляет очерёдность включения оборудования, что гарантирует одинаковое количество часов наработки газогорелочного устройства. Как правило, автоматика системы управления поставляется в комплекте с датчиком уличной температуры, что даёт возможность управлять модуляцией газогорелочного устройства (мощность и температура подающей линии) в зависимости от температуры окружающей среды. Например, при температуре наружного воздуха 0 °С температура теплоносителя в подающей линии составит 50 °С. При температуре на улице -10 °С теплоноситель будет подаваться в подающую линию уже с температурой 60 °С и т.д. Чем ниже температура окружающей среды, тем выше температура теплоносителя. Автоматика осуществит включение необходимого количества котлов в зависимости от потребной мощности.
Во-вторых, это экономия газа и, как следствие, сохранение финансовых средств, которые можно направить на реконструкцию своего объекта. Способность котлов с модулируемыми горелками снижать расход топлива часто называют коэффициентом рабочего регулирования горелки (отношение максимальной тепловой мощности котла к минимальной). Как же это можно реализовать? Всё очень просто, система сама сделает это за вас.
Приведём пример — при работе оборудования на мощности свыше 70 % начинается повышенный расход газа. У вас есть два котла с мощностью 24 кВт каждый. Сначала включается первый котёл с номинальной нагрузкой 9,4 кВт и постепенно увеличивает её до мощности 100 %. Если же одного котла не хватает, то включается второй котёл, например, на мощность 40 %. Итого общая нагрузка обоих котлов составит 32 кВт. Второй вариант — включается первый котёл также номинальной нагрузкой 9,4 кВт и постепенно увеличивает до мощности 70 %. Если же данной мощности не хватает, то в работу включается второй котёл на мощности тоже 70 %, а общая нагрузка также составит 32 кВт. При работе газового оборудования во втором варианте экономия газа составит от 15 до 30 %.
В-третьих, это простота транспортировки и монтажа оборудования. Несколько настенных котлов установить или смонтировать куда проще, чем один мощный котёл. Достаточно небольшие габариты и вес настенных котлов обусловливают преимущество установки их в каскад при монтаже крышных котельных, в подвальных или полуподвальных помещениях. В частности, при монтаже таких котельных не требуются дополнительные затраты на специальную технику для подъёма или транспортировки мощного габаритного котла.
В-четвёртых, это резерв. Если по какой-либо причине один из котлов выйдет из строя, например, при аварии теплогенератора, то вся система будет продолжать работу на пониженной или средней мощности. Если же в системе работает один котёл, и он «выйдет в ошибку», то перестанет работать вся система отопления, а в каскаде каждый котёл является автономным, и в случае возникновения аварийной ситуации отключится только неисправный агрегат.
В-пятых, это условия размещения. Каскад из настенных теплогенераторов разрешается монтировать и осуществлять его эксплуатацию в пристроенных, встроенных, отдельно стоящих, крышных котельных и др.
На практике есть немало примеров, когда при реконструкции объекта, расширении и добавлении дополнительных тепловых потребителей приходилось модернизировать и саму котельную (менять действующее газовое оборудование на более мощное), что приводило к большим финансовым потерям, а с вариантом каскадного управления можно при необходимости просто добавить в существующую систему один или несколько котлов.
Есть несколько вариантов размещения газового оборудования: монтаж оборудования на стене, на специализированных стойках (креплениях) в ряд или же размещение газогорелочного оборудования «спина к спине».
Итак, каскадные котельные применяются практически во всех областях, но наиболее они востребованы в системах автономного теплоснабжения одного или нескольких объектов. При монтаже каскадного управления потенциальным заказчикам и потребителям нет необходимости строить теплотрассу от централизованной системы отопления, которая, безусловно, имеет существенные тепловые потери, особенно при функции ГВС.
Наиболее выгодным решением каскадного регулирования является установка данного оборудования в частных домах, ресторанах, гостиницах, магазинах различной площадью и т.д. Если заказчик умеет считать свои деньги, хочет быть уверен в безопасности, экономичности, надёжности и качестве своего оборудования, то он выберет котельную, состоящую из каскада котлов.
Каскадный способ подключения котлов используется уже на протяжении многих лет. Концепция проста: разделили суммарную тепловую нагрузку между двумя или более независимо контролируемыми котлами, и включайте только те котлы, которые удовлетворяют потребности в данной нагрузке в данное время. Каждый котел представляет свою «ступень» теплопроизводительности в общей мощности системы. Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно отслеживает температуру подачи теплоносителя и определяет, какие ступени системы следует включать для поддержания заданной температуры.
ПРЕИМУЩЕСТВА
использования каскадной системы:
Повышенная сезонная эффективность системы по сравнению с использованием одного мощного котла;
-частичное покрытие нагрузки даже если один из котлов отключен, например, для проведения сервисных работ. Это особенно важно в суровых климатических условиях, когда из-за низкой температуры неработающая система может замерзнуть очень быстро;
-каскадную систему установить намного легче, чем один большой котел, особенно при модернизации системы. Кроме того, запчасти для менее мощных котлов стоят дешевле;
-возможность одновременно обеспечивать как высокие нагрузки по ГВС или антиоблединению, так и намного меньшие по отоплению.
Представляем рабочие характеристики двух разных каскадных систем по отношению к гипотетичной диаграмме нагрузки. В первой системе используются два котла с одноступенчатыми горелками, каждый из которых способен обеспечить 50% расчетной нагрузки. Во второй системе используются четыре котла с одноступенчатыми горелками, каждый из них может обеспечить 25% расчетной нагрузки. Очевидно, что система из четырех котлов вместо двух способна эффективнее обеспечивать условия расчетных нагрузок. Исходя из этого можно предположить, что чем больше ступеней в каскадной системе, тем лучше она удовлетворяет нагрузкам. Это особенно эффективно при невысоких показателях требуемой мощности. Однако с увеличением количества ступеней увеличивается площадь поверхности теплоотдачи системы (обшивка котлов), через которую происходит потеря тепла, что в конечном счете может свести на нет преимущества повышенного КПД такой системы. Поэтому не всегда целесообразно использование более четырех ступеней. Неотъемлемое ограничение системы «простого» каскада (котлы с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками) - пошаговое регулирование теплопроизводительности (мощности системы), а не беспрерывный регулируемый процесс. Несмотря на то, что использование более двух ступеней значительно снижает теплопроизводительность каждого котла, идеальным решением будет система «модулируемого» каскада (котлы с модулируемыми горелками). Модулируемые горелки позволяют бесступенчато регулировать мощность в зависимости от потребности в теплоте, не изменяя количественного соотношения топливо/воздух, т.е. когда в зависимости от объема подаваемого воздуха и аэродинамического сопротивления меняется количество подаваемого в камеру сгорания топлива. Это обеспечивает стабильный КПД котла и минимальные концентрации загрязняющих веществ в уходящих газах при переменной тепловой нагрузке. Следующий шаг. Последняя тенденция в решении каскадных систем - система модулируемого каскада. В отличие от использования ступенчатых горелок, котлы с модулируемыми горелками способны плавно изменять объем подачи топлива, а следовательно, и контролировать уровень теплопроизводительности в широком диапазоне значений. На сегодняшний день на рынке отопительного оборудования широко представлены маломощные котлы с модулируемыми горелками, способные плавно изменять производительность котла в диапазоне 30–100% от номинальной тепловой мощности. Способность котлов с модулируемыми горелками снижать расход топлива часто называют коэффициентом рабочего регулирования горелки (т.е. отношение максимальной тепловой мощности котла к минимальной). Например, коэффициент рабочего регулирования горелки котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальным расходом топлива 10 кВт будет равен 50 кВт/10 кВт или 5:1. Суммарный коэффициент рабочего регулирования установленных в каскадную систему котлов значительно превышает коэффициент отдельного котла. Например, если в каскадной системе используются четыре котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальной 10 кВт, суммарное регулирование производительности будет осуществляться в диапазоне от 200 кВт до 10 кВт. Следовательно, коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 20:1. В условиях низкой теплопроизводительности теплообменник котла с модулируемой горелкой работает при сравнительно низкой температуре теплообменных поверхностей котла со стороны сгорания. Когда такой котел используется для удовлетворения низких нагрузок, например, напольного отопления, его работа обычно сопровождается непрерывной конденсацией топочных газов. Во избежание повреждений теплообменника вследствие конденсации в современных котлах с модулируемыми горелками используют теплообменники из нержавеющей стали или алюминия. При работе в условиях низких температур КПД таких котлов может превышать 95%. Маломощные котлы с модулируемыми горелками обычно проектируются с закрытой камерой сгорания, что расширяет набор проектных решений для систем подвода воздуха и отвода продуктов сгорания, поскольку дымоходы таких котлов не обязательно должны быть прямыми. Обычно дымоходы изготавливают из оцинкованной листовой или нержавеющей стали или алюминия. Но для некоторых моделей котлов, например для Vaillant VU 505, успешно применяется система гибких полипропиленовых дымоходов (их можно закладывать в старые, непрямые или непригодные для обычных режимов дымовые каналы).
Особенности системы
Существуют три важные особенности, которые следует учитывать при проектировании системы «модулируемого» каскада. Первое. Особенности подводки магистралей и контроллеров должны позволять независимую регулировку циркуляции потока через каждый котел. Вода не должна циркулировать через неработающий котел, иначе тепло теплоносителя будет рассеиваться через теплообменник или кожух котла. Это также касается и системы простого каскада. Независимая регулировка потока теплоносителя достигается благодаря оснащению каждого котла индивидуальным циркуляционным насосом.При параллельной установке циркуляционных насосов, для предотвращения обратного потока теплоносителя через неработающие котлы, вниз по потоку насосов следует установить обратные клапаны. Оптимальное решение этой ситуации - установка циркуляционного насоса с мокрым ротором со встроенными запорными клапанами. Подача теплоносителя в каждый котел с помощью индивидуальных циркуляционных насосов позволяет повышать давление в теплообменнике работающего котла в целях предотвращения кавитации и взрывного парообразования.
Второй важный момент - параллельное подключение подающей и обратной магистралей для каждого котла (особенно при использовании конденсационных котлов). Это позволяет поддерживать одинаковую температуру воды на входе в каждый котел и при необходимости исключать переток теплоносителя между контурами. Низкая температура подающегося в котел теплоносителя способствует конденсации водяных паров из продуктов сгорания и повышению КПД системы. Некоторые каскадные контроллеры для котлов с модулируемыми горелками оснащены функцией «выдержки времени», то есть способны включать циркуляционный насос определенного котла незадолго до включения горелки. Также они могут поддерживать работу насосов некоторое время после выключения горелки. Первое обеспечивает нагрев теплообменника котла теплым подающимся теплоносителем системы, что предотвращает тепловой удар вследствие значительного перепада температур (и конденсацию топочных газов для обычных котлов) при зажигании горелки. Второе - утилизировать остаточное тепло теплообменника, а не отводить его через систему вентиляции после окончания работы котла. И, в-третьих, очень важно, чтобы циркуляционные насосы обеспечивали адекватный поток теплоносителя через работающие котлы, независимо от показателя расхода системы. Близко расположенные Т-образные сочленения (рис. 2) или коллекторы с малыми перепадами давления (рис. 3) обеспечивают отведение потока от потока системы для обеспечения адекватного потока котла независимо от изменений расхода в распределительной системе. Близко расположенные Т-образные трубные сочленения на первичном/вторичном контуре используются для «снятия» перепада давления контуров.
Модулируемое управление
Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциа льное регулирование) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает ее с расчетным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить. Для управления каскадом котлови достижения экономичного расхода топлива необходимо использовать специальную автоматику. Один из котлов каскада выполняет роль «ведущего» и включается в первую очередь, остальные - «ведомые» - подключаются по мере необходимости. Автоматика управления позволяет передавать роль «ведущего» от одного котла к другому, а также осуществлять очередность включения «ведомых» котлов и температурные дифференциалы включения каждой последующей ступени. При возникновении неисправности ведущего котла осуществляется автоматическая смена приоритета. Если запрос на тепло не приходит ни от одной из зон, регулятор выключит все котлы, а при поступлении сигнала требования запустит их в эксплуатацию. После отключения последнего котла циркуляционный насос выключается с выдержкой времени. В большинстве систем «модулируемого» каскада способ контроля другой. Как правило, контроль направлен на максимизацию времени работы котлов в низком температурном диапазоне и при неполной мощности. Хотя разные производители предлагают разные системы управления, общепринятый подход следующй: включение котла, далее модулирование его работы до уровня теплопроизводительности, удовлетворяющей необходимой нагрузке. Если понадобится дополнительная подача тепла, теплопроизводительность первого котла значительно снижается, включается второй котел, и далее происходит соответствующее модулирование теплопроизводительности обоих котлов для удовлетворения требуемой нагрузки. Такая схема обеспечивает работу обоих котлов при более низких показателях теплопроизводительности, а значит, в более щадящем режиме, в отличие от работы одного котла на полной мощности. Это повышает площадь поверхности теплообмена, и следовательно, повышается вероятность конденсации водяных паров из продуктов сгорания, а также КПД системы. Предположим, что нагрузка продолжает возрастать и два котла, работающих при сравнительно высоком уровне теплопроизводительности, не могут удовлетворить ее условиям, тогда второй котел снижает расход топлива, включается третий и происходит параллельное модулирование теплопроизводительности второй и третьей ступеней. В некоторых системах первый котел способен также снижать расход топлива при активированных остальных ступенях, следовательно, все три ступени мощности могут регулироваться параллельно.
Рабочие режимы
Большинство каскадных контроллеров способны работать, по крайней мере, в двух рабочих режимах. В режиме отопления осуществляется погодозависимый принцип регулирования, то есть заданное значение температуры подающегося в систему теплоносителя зависит от внешней температуры. Чем ниже внешняя температура, тем выше заданное значение температуры подающегося теплоносителя. Эта система устраняет необходимость использования смесителя между котлом и потребителями отопления. В режиме ГВС осуществляется программное регулирование системы, когда заданное значение температуры подающегося теплоносителя не зависит от внешних температур. Другими словами, задается определенное, достаточно высокое значение температуры, что обеспечивает высокий уровень теплопередачи через вторичный теплообменник. Такой режим обычно используют для обеспечения более высокой температуры теплоносителя, подающегося через теплообменник к потребителям ГВС и системам антиобледенения. Модулирование мощности котла приводит к существенному уменьшению дифференциала между требуемой и реальной температурами теплоносителя, что предотвращает частое «тактирование» (включение/ выключение) котла. Некоторые контроллеры также отвечают за работу главного циркуляционного насоса и связаны с системой диспетчеризации инженерного оборудования здания.
Небольшой, тихий и мощный
Отношение физических размеров к теплопроизводительности некоторых котлов с модулируемыми горелками поистине впечатляет. Например, отдельные производители предоставляют восьмиступенчатые системы «модулируемого» каскада с диапазоном теплопроизводительности 30–960 кВт. Следовательно коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 32:1. Такая система может размещаться в помещении небольшой площади. Дополнительное преимущество - малошумность системы. Современное поколение маломощных котлов с модулируемыми горелками обеспечивает экономию площади помещения, высокий КПД, тихую работу и надежность. Это идеальное решение в низкотемпературных системах, такие котлы идеально подходят для напольного отопления, системы антиобледенения, обогрева бассейна, системы ГВС, а также системы тепловых насосов, в т.ч. геотермальных. Они уже завоевали позицию в области отопления частных домов. Как часть каскадной системы, котлы с модулируемыми горелками представляют собой новую альтернативу системам промышленного отопления.
Каскадное подключение котлов - это эффективный технический прием для увеличения единичной мощности отопительного аппарата, который на протяжении многих лет используется специалистами-теплотехниками. Концепция приема проста: разделяем суммарную тепловую нагрузку между двумя или более независимо контролируемыми котлами и включаем в каскад только те котлы, которые удовлетворяют потребности в данной нагрузке в определенное время. Каждый котел представляет свою «ступень» теплопроизводительности в общей мощности системы. Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно отслеживает температуру подачи теплоносителя и определяет, какие ступени системы следует включать для поддержания заданной температуры.
Обычно для примеров рассматриваются простые схемы подключения отопления и горячего водоснабжения с одним газовым котлом, подобранным из условий его максимальной нагрузки. На самом деле практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% времени мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности, будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В таком случае эффективным решением является каскадное подключение котлов.
Пример каскадного подключения трёх котлов
Обычно для примеров рассматриваются простые схемы подключения отопления и горячего водоснабжения с одним газовым котлом, подобранным из условий его максимальной нагрузки. На самом деле практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% времени мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности, будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В таком случае эффективным решением является каскадное подключение котлов.
- Котёл;
- Гидравлический разделитель.
Каскад котлов плавно обеспечивает работу котельной на необходимой мощности (в широком диапазоне) независимо от времени года за счет последовательного подключения одного за другим нескольких «малых» котлов. При помощи каскадного регулирования с программным управлением решается проблема определения оптимального соотношения мощности котельной и системы отопления. Таким образом, в межсезонье и в условиях теплых зим каскадная котельная может длительно работать при низких температурах теплоносителя, что уменьшает расходы на теплоизлучение и периоды режимов ожидания системы. При этом улучшаются температурные условия объекта, т.е. комфорт пользователя.
Обычно для примеров рассматриваются простые схемы подключения отопления и горячего водоснабжения с одним газовым котлом, подобранным из условий его максимальной нагрузки. На самом деле практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% времени мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности, будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В таком случае эффективным решением является каскадное подключение котлов.
Однако, при увеличении числа котлов в каскаде, увеличиваются потери тепла через теплообменники и корпуса неработающих котлов. Поэтому обычно рекомендуется ограничивать число котлов в каскаде четырьмя единицами.
К недостаткам каскадного подключения можно отнести то, что установка нескольких котлов небольшой мощности и установка дополнительных компонентов для управления каскадом, увеличивает стоимость системы отопления и требует больше места, чем для установки одного мощного котла, а также усложняется подключение каскада к дымоходу.
Как видно из рисунка, в данную схему включено дополнительное устройство – гидравлический разделитель. Разберёмся, что это за устройство и для чего оно применяется?
Гидравлический разделитель (стрелка) является современным элементом системы отопления. Он предназначен для разделения первичного (теплогенераторов) и вторичного (потребителей) контуров, создавая зону снижения гидравлического сопротивления. Таким образом, расход теплоносителя в обоих контурах будет полностью зависеть только от производительности соответствующих циркуляционных насосов, взаимное влияние которых при этом исключается.
Гидравлический разделитель (стрелка) обеспечивает гидравлический баланс (а, следовательно, и температурный баланс) двух контуров. При использовании гидравлического разделителя расход теплоносителя во вторичном контуре обеспечивается только при вклю¬чении соответствующего циркуляционного насоса, что позволяет системе реагировать на тепловую нагрузку в данный момент вре¬мени. Когда насос вторичного контура отключен, циркуляция в нем отсутствует и вся вода, циркулирующая под воздействием насоса первичного контура, перепускается через гидравлический разделитель. Таким образом, при использовании гидравлической стрелки в первичном контуре можно поддерживать постоянный расход теплоносителя, а во вторичном контуре – эффективно регулировать его в соответствии с тепловой нагрузкой. В современных системах отопления данная функция является стандартной.
Предлагаемый к продаже готовый гидравлический разделитель выбирается по каталогу в зависимости от требуемой мощности котла (кВт) и максимального протока теплоносителя в системе (л/час).
