Оптимизиране на системи за БГВ с кондензни котли

Сградните системи за отопление и битово горещо водоснабдяване (БГВ) се предлагат в различни модели, типоразмери и конфигурации. Традиционните котли и подгревателни системи са проектирани да поддържат високи температури на горещата вода, но новостите при технологиите в сферата на кондензната техника позволяват постигане на повишена ефективност чрез по-ниски температури на водата в комбинация с кондензация.

Конвенционалната конструкция на една котелна система включва средство за водоподгряване до температура, подходяща за БГВ и отоплителни цели. При по-старите системи стандартно се поддържа температура на подаването на гореща вода между 80 и 90°C и винаги над 60°C при връщане на горещата вода, за да се предотврати кондензация в топлообменниците. Традиционните некондензни котли са проектирани така, че променлив дебит през топлообменника е невъзможен. В следващ етап на технологично развитие стават популярни конфигурациите с първични (основни) и вторични (спомагателни) помпи, които се използват за поддържане на желания дебит през топлообменника на котела, като същевременно променят дебита във вторичния контур съобразно нуждите на сградата.

Модерната конструкция на една котелна система е напълно различна. Температурите за подаване на гореща вода намаляват, а кондензните котли са предпочитан избор за системи, които използват по-ниски температури на гореща вода, тъй като така ефективността се повишава. Решенията с кондензни котли са подходящи за приложения, които включват лъчисто подово отопление, термопомпи с воден източник и стандартни системи за БГВ, специално проектирани за по-ниски температури на подаване на гореща вода.

Повишаване на ефективността

Повечето котли използват природен газ като основно гориво за отопление на водата, въпреки че са налични и други опции. Процесът на горене на природния газ представлява химическа реакция, възникваща след смесване на газа с въздух, и води до производството на топлина, използвана за повишаване на температурата на водата.

При този процес се получават като странични продукти вода и въглероден диоксид, както и NO, NO2 и NO3 (азотни оксиди), тъй като азотът във въздуха се свързва с излишния въздух. Приблизително така протича горивният процес при всички видове котли, а отделяната вода е важен фактор по отношение ефективността на котела. В зависимост от вида на котела, този страничен продукт се третира по различен начин.

При некондензните котли водата остава в парно състояние и се отстранява от котела чрез димни газове, които впоследствие се извеждат от сградата. Кондензните котли оставят парата да се кондензира и да се превърне в течност. Когато водата се охлади под точката на оросяване (конденз), се възстановява латентната топлина на изпаряване. Тази фина форма на оползотворяване на енергията позволява латентната топлина да се “рециклира” вместо топлинната енергия да се губи. Точката на конденз на водната пара в димните газове зависи от процента на водорода в природния газ и излишния въздух в димните газове. Кондензирането най-общо започва, когато температурите на връщане на горещата вода са между 55 и 65°C.

Топлообменници

Топлообменниците за некондензни котли обикновено са изработени от мед, чугун или стомана и не са проектирани да обработват корозивния кондензат, получен от смесването на водна пара с въглероден диоксид и образуването на въглеродна киселина. С течение на времето киселината в кондензата започва да унищожава метала на топлообменника. Поради това кондензните котли изискват по-здрави топлообменници, устойчиви на киселинния кондензат и термичния шок от понижените температури на потока отработена вода. Топлообменниците се произвеждат от няколко различни метала и в различни конфигурации в зависимост от степента на кондензация, поддържана в котела.

Същинските кондензни котли използват един топлообменник, произведен от неръждаема стомана или от лят алуминий. Алуминиевите топлообменници обикновено са по-евтини и в тях са вложени по-дебели листове метал, но са по-чувствителни към условията на водата (алкалност, съдържание на химикали). Топлообменниците от неръждаема стомана са силно устойчиви на корозия и по-издръжливи към качествените показатели на водата. И двата материала са специално проектирани да издържат на въздействието на кондензата и да позволяват дългогодишна експлоатация. Важно е да се вземе предвид, че нивото на рН на водата в системи със затворен контур остава същото като това в некондензен котел. Оптималното ниво на рН в кондензата е от 3 до 4 при кондензните котли.

Частично кондензните котли използват първични и вторични топлообменни повърхности, където първичният/основният топлообменник никога не се подлага на температури на кондензация и винаги работи в некондензен температурен диапазон. Двойните топлообменници позволяват основният топлообменник да бъде изработен в стандартна конструкция, обикновено от мед, докато вторият топлообменник е направен от по-здрав материал като алуминий или неръждаема стомана. Когато димните газове излизат от основния топлообменник, те се насочват към втория топлообменник, където се допуска тяхната кондензация. Този тип конфигурация на топлообменника на котела обикновено изисква вътрешна помпа и/или смесителни клапани за защита на първичния топлообменник и работа в безопасен температурен диапазон.

Друга алтернатива са хибридните системи, работещи едновременно с кондензни и некондензни котли. При тези системи трябва да се вземе предвид в кой котел кой процес протича. По принцип кондензните котли се използват като първични котли със стремеж към увеличаване на ефективността на топлинните процеси.

В дадени периоди от годината обаче използването на кондензни котли може да осигури само минимално повишаване на ефективността в сравнение с използването на некондензни котли в зависимост от това как е проектирана системата и какви са температурите на водата. Използването на хибридна система с кондензни и некондензни котли в последователност, базирана на температурата на външния въздух и температурата на горещата вода, осигурява максимална ефективност през всички сезони, като същевременно намалява значително първоначалната инвестиция за инсталация.

Димоотводи

Изгорелите газове от кондензните котли винаги са с по-ниска температура от тези при некондензните системи, тъй като водната пара в димните газове вече се е кондензирала, ако процесите в кондензния котел са протекли нормално. Температурата на димните газове при кондензни котли обикновено е около 38°C, докато при некондензните котли е 120-150°C.

Материали, подходящи за изработка на димоотводи за системи с понижена температура, са поливинилхлорид (PVC), хлориран поливинилхлорид (CPVC) и полипропилен (PP). Те могат да се употребяват с кондензни котли. За приложения, при които не се използват пластмаси, се препоръчва избор на устойчив на корозия димоотвод, направен от неръждаема стомана или алуминий, но в никакъв случай не трябва да се използват димоотводи от други метали поради корозивността на димните газове. Отново, ако кондензният котел не е в режим на кондензация, димните газове ще бъдат сходни по температура с тези на некондензен котел и ще трябва да се осигури система за отвеждане на газовете, проектирана за по-високи работни температури.

Материали като PVC и CPVC отделят токсични изпарения при прегряване, така че полипропиленът или устойчивите на корозия метали са предпочитано решение. В допълнение към стандартите при материалите за изработка на димоотводи, производителите имат специфични изисквания относно допустимата дължина на димоотвода. Той винаги трябва да бъде наклонен назад към котела, за да се изцеди правилно целият кондензат в системата.

Кондензатни филтри и неутрализация на киселините

Основни предизвикателства при използването на кондензни котли са управлението и неутрализирането на кондензата. За отделяне на кондензата от парата производителите обикновено осигуряват филтри (уловители за кондензат), които предотвратяват изпускането на отработените димни газове обратно в сградата. Тъй като водата се кондензира и се смесва с CO2, нивото на pH намалява до приблизително 3-4, така че е необходимо изхвърлянето на кондензата да се извършва правилно.

Кондензатът трябва да бъде прокаран през филтър за киселинна неутрализация от мрамор, варовик или алкални стружки. Освен това е важно конструкцията на тръбите за изтичане на кондензата да бъдат съобразени с особеностите на ВиК мрежата. Канализационните тръбопроводи е препоръчително да са PVC или чугунени, а не медни или стоманени, защото последните бързо корозират. Некондензните котли не произвеждат кондензат и не изискват дренаж.

Ефективност на системите за БГВ

При проектирането на система за гореща вода е важно да се гарантира, че тя е подходяща за кондензни приложения. Ако системата не е проектирана за такива цели и температурата на връщане на горещата вода никога не пада под 60°C, максималната топлинна ефективност на системата се ограничава до тази на стандартен, некондензен котел – около 88%. Обратно, ако температурата на връщане на горещата вода падне под 60°C и котелът е некондензен, топлообменникът няма да може да издържи на въздействието на киселинната водна пара и ще спре да функционира по-рано от предвиденото.

При кондензните системи ефективността на котела зависи от натоварването му и от температурата на връщане на горещата вода. Чрез задаване на по-ниски температури за подаване и връщане на вода от конвенционалните е възможно да се повиши ефективността на котела, тъй като повече водна пара се кондензира от по-ниски температури на връщане на гореща вода и се възстановява повече енергия, която в противен случай би се изгубила през димоотвода. Това повишава ефективността с приблизително 10% до 12% в сравнение с некондензните котли.

Също толкова важно колкото температурата на връщане на водата в котела е какъв е броят на функциониращите котли. За разлика от некондензните котли, ефективността на кондензните системи се увеличава, когато натоварването на котела намалява. Повечето кондензни котли са снабдени с високомодулираща газова горелка, способна да модулира до съотношение 20:1, което е много по-ефективно от поетапно или стъпаловидно управление с некондензни котли. Горелките се управляват от контролна система с цел да се регулира изходният дебит на горелката в директно съответствие с изискванията на сградата и да се постигне максимална ефективност на системата чрез работа на подходящия брой котли.

Възможността на горелката да инициира горивен процес при ниски натоварвания дава повече време на димните газове да останат в контакт с топлообменника, а в замяна осигурява по-голям трансфер на енергия и по-прецизно съответствие на натоварването. Поради тази причина е характерно за кондензните системи да работят с няколко котли при ниски натоварвания, за да се увеличи ефективността. По подобен начин кондензните котли могат да модулират изходната температура до по-ниска, когато потреблението на топлоенергия намалява, докато некондензните котли винаги търпят температурни ограничения, за да избегнат кондензацията.

Несъмнено кондензните котли са по-скъпи от традиционните, но увеличението на първоначалната инвестиция варира в зависимост от конструкцията на топлообменника, конфигурациите и производителя. Първоначалното увеличение на разходите за кондензна система не се изчерпва непременно с котела, тъй като оборудването трябва да се подбира в съответствие с температурите на подаване и връщане на гореща вода. Най-честият избор е по отношение на физическия размер и вида на реотаните. Реотаните за гореща вода изискват по-дълбоки намотки с по-голяма повърхност за пренос на топлина, за да са съобразени с по-ниската температура на подаване на гореща вода, което увеличава първоначалната инвестиция за оборудване и потенциално експлоатационните разходи. По-високи експлоатационни разходи възникват, когато се избират традиционни реотани с по-ниска температура на подаване на гореща вода, което води до по-големи спадове на налягането на въздуха и водата.

Съображения при проектиране

Изцяло кондензните котелни системи са по-прости за проектиране от частичните и конвенционалните системи с некондензни котли. Някои кондензни котелни системи могат да бъдат настроени в режим на променлив първичен дебит (VPF) с регулиращ байпасен клапан с минимален дебит, поддържащ минималния дебит на котела. Така става възможна конфигурация на тръбопроводите и изпомпването, която минимизира броя на помпите и увеличава максимално DT. Във VPF системите дебитът варира в цялата система, включително през котлите, което е промяна на традиционното схващане, че котлите винаги се нуждаят от постоянен дебит. Тези системи премахват необходимостта от вторични разпределителни помпи и използват успоредно няколко помпи, за да обслужват цялата система за гореща вода. Изцяло кондензните котли също така не са податливи на термичен шок, така че няма нужда от смесителни клапани, първично-вторично изпомпване или високи температури на връщане на водата.

VPF системите обикновено имат по-малък брой помпи в сравнение с първично-вторичните системи, което намалява първоначалната инвестиция чрез закупуване на по-малко тръбопроводи и клапани, по-малко електрически връзки, по-малко контролна работа и виброизолация за допълнителни помпи. Един комплект помпи спестява и пространство в помещението.

Сред елементите, на които трябва да се обърне внимание при проектиране, са по-сложните контролни панели и изискванията за осигуряване на минимален дебит в системата по всяко време. VPF системите типично имат по-ниски експлоатационни разходи, тъй като е налице по-малък спад на налягането в системата поради по-малкия брой помпи и спомагателно оборудване за тях. В допълнение, при тях помпите са по-ефективни. VPF технологията позволява на проектанта да избере по-големи, по-ефективни помпи с по-висока мощност вместо циркулационни помпи с по-малък размер, постоянен дебит и ниска ефективност, на които обикновено са базирани първично-вторичните системи. Също така използването на променлива скорост в системата позволява целият дебит да варира, което осигурява намаление на експлоатационните разходи, тъй като енергията се променя в зависимост от кубичната мощност на дебита.

Изключение при използването на VPF помпени системи е, че частично кондензните котли, които използват вторичен/спомагателен топлообменник за кондензиране на димните газове, изискват постоянен дебит през топлообменника. За да се постигне това, първично-вторичната система се използва с два комплекта помпи, всеки със специална функция за системата за топла вода. Първичните/основните помпи служат като производствени помпи и обслужват само котлите в системата.

Това обикновено са помпи с висок дебит, помпи с постоянен дебит с ниска смукателна глава, монтирани към котела, за да подадат наличната гореща вода към вторичните помпи. Вторичните помпи обслужват само реотаните за гореща вода в системата, като са оборудвани с двупосочни регулиращи клапани и имат висок дебит, висока смукателна глава, висока и променлива скорост и променят дебита на системата в отговор на натоварването. Първичните и вторичните контури са свързани чрез обща тръба или декуплер, който е споделена част от тръбната верига във всеки контур и хидравлично отделя двата контура, така че дебитът в единия контур не влияе на дебита на другия контур.