Тепло из воздуха

Газовое отопление на сегодняшний день наиболее экономичный способ обогрева. Но и тут технологии не стоят на месте. За счёт усовершенствованной конструкции расходовать энергоресурсы ещё эффективнее позволяет конденсационный газовый котёл.

Чем конденсационный отопительный котёл отличается от обычного 

Благодаря хорошим энергосберегающим свойствам конденсационные газовые котлы завоевали огромную популярность в Европе. Из-за дороговизны теплоносителей проблемами экономии там озаботились уже давно. Более того, в ряде стран установка любых других газовых котлов, кроме конденсационных, просто запрещена.

Принцип работы конденсационного котла

В обычном котле отходящие после сгорания топлива горячие газы проходят через теплообменник, где и отдают основную часть своей энергии теплоносителю системы отопления или воде в контуре горячего водоснабжения. Температура отходящих газов при этом снижается с более чем 200°С изначальных до 140-160°С. Ниже этого уровня их не охлаждают, чтобы избежать снижения дымоходной тяги и исключить образование конденсата, который обладает повышенной кислотностью и вызывает коррозию стальных и чугунных элементов котлов и дымоходов.

Таким образом, продукты сгорания, имеющие ещё достаточно мощный внутренний потенциал, выбрасываются в атмосферу. При этом существенная часть неиспользованной тепловой энергии просто теряется, поскольку вместе с газами улетучивается и водяной пар, образующийся при сгорании топлива. Эту энергию конденсационные котлы и способны сохранять и эффективно использовать.

При этом происходит охлаждение газов до точки росы, которая у водяных паров, образующихся при сгорании газа, имеет величину 55-58°C. Конденсируется пар в специальном теплообменнике, а освобождающаяся в это время теплота поступает в систему отопления.

Точка росы - температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться.

Конструкция теплообменника конденсационного котла

Центральным элементом каждого котла является теплообменник. В конденсационных котлах их два.

Первичный функционирует так же, как и теплообменник традиционного котла. Проходящие через него продукты сгорания отдают основную часть своей энергии теплоносителю и всё ещё горячие следуют дальше. После этого к работе подключается вторичный теплообменник, называемый ещё конденсационным.

Это теплообменник выполнен в виде труб сложного сечения с дополнительными спиралевидными ребрами. Всё делается для увеличения площади контакта пара его поверхностью и повышения эффективности работы котла. Отходящие газы в этом теплообменнике охлаждаются обратной водой системы отопления до температуры ниже точки росы, одновременно нагревая теплоноситель.

Таким образом, в конденсационных котлах фактически происходит рекуперация, то есть возвращение части израсходованной в результате сгорания топлива энергии, высвобождающейся при конденсации водяного пара, для повторного использования. В традиционных котлах эта энергия улетучивается вместе с паром.

Кроме того, в конденсационных котлах используются высокотехнологичные горелки, которые обеспечивают непрерывный контроль соотношения газ/воздух, то есть оптимальные пропорции топливно-воздушной смеси в любом режиме горения.

Поэтому при равнозначных условиях отопления экономичность конденсационного котла примерно на 15-20% выше обычного. Плюс выбросы в атмосферу вредных соединений сокращаются до 70%.

Принцип работы конденсационного котла был изобретён более ста лет назад, но возможность его эффективно использовать появилась сравнительно недавно, когда технологии позволили применять в котлах стойкие к коррозии сплавы.

Образующийся из пара конденсат химически активен. Поэтому в конденсационных теплообменниках используется нержавеющая сталь или широко используемый в машиностроении алюминиево-кремниевый сплав силумин.

По своему исполнению конденсационные котлы ни чем не отличаются от традиционных. Обычно они выпускаются в настенном варианте, что позволяет сэкономить на котельной и установить котёл в любом подходящем для этого помещении.

Конденсационные котлы имеют закрытую камеру сгорания и соответственно обладают всеми преимуществами подобных устройств. Они абсолютно безопасны, так как процесс сгорания полностью изолирован от помещения. Такие котлы можно без проблем устанавливать в домах без дымохода, используя для отвода продуктов сгорания коаксиальные приточно-отводящие дымоходы.

Опыт эксплуатации конденсационных котлов в нашей стране

Да, конденсационные котлы значительно экономичнее традиционных и за эти преимущества нужно платить. Но для маломощных настенных газовых котлов разница в цене может достигать полутора-двух раз.

Однако, берясь за сравнение, необходимо учитывать некоторые не всегда очевидные на первый взгляд нюансы. Настенные конденсационные котлы имеют мощность 20-110 кВт, в то же время из традиционных настенных котлов можно «выжать» максимум 34-36 кВт. Поэтому сравнивать мощный конденсационный котёл, скажем 60-80 кВт (что для современного загородного дома, учитывая потребности отопления и приготовления горячей воды, совсем не редкость) можно только с аналогичным по мощности напольным котлом.

Их цена уже вполне сопоставима, но приобретение конденсационника оборачивается существенной выгодой: расходы на содержание низки, а работа более эффективна. Кроме того, при использовании настенного конденсационного котла отпадает необходимость в выделении отдельного помещения под котельную. А это дополнительные метры, которые можно использовать с большей пользой.

Срок окупаемости конденсационного котла зависит от потребностей дома в тепле, от его площади и параметров системы отопления.

Чем ниже температура воды в обратном контуре, тем более полно происходит конденсация водяного пара, а значит, выше КПД котла и большая часть тепла будет возвращаться в систему. Поэтому конденсационные котлы наиболее рентабельны в низкотемпературных системах отопления, водяных тёплых полов с соотношением температуры исходящей и возвращающейся в котёл воды 50/30°С.

В сильные морозы, когда возвращаемая в котёл вода имеет температуру около 60°С, конденсации водяных паров не происходит и котёл работает по традиционной схеме. Так стоит ли ориентироваться на Европу, где в самые «лютые» морозы температура редко опускается ниже -15°С?

Примем во внимание тот факт, что отопительный сезон длится у нас около 200 дней в году. Температура наружного воздуха ниже -22-25°С обычно держится на протяжении не более 20-25% этого периода. Всё остальное время конденсационный котёл будет работать, потребляя примерно на 15% меньше топлива, чем современные традиционные котлы или на 30% по сравнению со старыми котлами.

Но и в морозы такой котёл будет работать на 3-5% эффективнее обычного за счёт более совершенного процесса сгорания топлива и меньших потерь, что в переводе на газ составляет существенную экономию.

Многолетний опыт эксплуатации конденсационных котлов показывает, что и перепады давления в газовой магистрали не особо влияют на эффективность и срок эксплуатации горелок. При падении давления в сети до 10 мБар котёл теряет в мощности только около 10%, продолжая устойчиво работать и при минимальном давлении в 5 мБар.

Таким образом, конденсационные котлы предназначены для тех, кто привык считать свои деньги. И если уж новый дом проектируется и строится исходя из современных требований к утеплению стен, окон, кровли, то и пользоваться малоэффективной системой отопления не рационально. А рост цен на газ и другие энергоресурсы гарантирует потребность в конденсационных котлах и у нас.

Физика и КПД конденсационного котла

Заявляемый производителями коэффициент полезного действия конденсационных котлов более 100%. Понятно, что по законам физики потери энергии неизбежны и КПД не может превышать стопроцентную планку. В чём подвох?

Методика расчёта

Количество теплоты, которое может быть получено при полном сжигании единицы топлива, включая ту часть, которая высвобождается при конденсации пара, но теряется в традиционных газовых котлах, называется высшей теплотой сгорания топлива. А то же количество теплоты, но уже без учёта теплоты конденсации называется низшей теплотой сгорания топлива.

Однако исторически сложилось так, что все физические расчеты для обыкновенных отопительных котлов ведутся на основании измеряемого значения низшей теплоты сгорания. Чтобы сделать возможным сравнение характеристик традиционных и конденсационных котлов, расчёт их КПД ведут по той же методике, то есть по низшей теплоте сгорания.

То есть выделяемая при сгорании газа энергия принимается за 100%. К этой цифре добавляется 11% максимально возможного возврата энергии при конденсации водяного пара. Итого получаем 111% по сравнению с со 100% КПД обычного атмосферного котла. С учётом присутствующих тепловых потерь выходит 107-109%.

Таким образом, это не реальный, а условный КПД. На самом деле он, конечно же, меньше 100%.

Если же провести расчёт по высшей теплоте сгорания, картина изменится, и мы получим более привычные с физической точки зрения результаты КПД: традиционные котлы 72-75%, конденсационные 90%. То есть конденсационные котлы всё равно выигрывают в эффективности не менее 15%.