Взаимодействие на газовите котли и свързаните с тях отоплителни системи

В практиката на строителното инженерство често изборът на котел не е направен в съответствие с дизайна на отоплителната система. Има, разбира се, изключения от това, когато строителят или инвеститорът наеме опитен проектант, който да изготви работните чертежи. Все пак, дори и в такъв случай, често се случва по време на строителството на обекта оригиналният проект да претърпи изменения поради това, че или котелът или управляващата автоматика на вторичния кръг биват заменени с други, за да се намалят разходите за системата. В повечето случаи не се взема предвид, какви щети би могла да причини по отношение на работата на системата на по-късен етап една непрофесионална намеса или промяна. В настоящата статия са обобщени основните изисквания, при които би могъл да се постигне по-висок стандарт на реализирания проект.

Конвенционален или кондензен котел?
В днешно време използването на така наречените кондензни котли става все по-популярно. Техният принцип на работа е, че парата от отработените газове от изгарянето на (природен) газ се кондензира и така се оползотворява латентната й топлинна енергия. По този начин се увеличава ефективността на котела в целогодишен аспект. Все пак трябва да имаме предвид, че кондензация се получава само ако водата, която се  връща от отоплителната система има достатъчно ниска температура.

Предвид на това, че температурата на насищане на отработения газ е 52°C, само температури под тази стойност могат да ни дадат възможност да използваме кондензация. Като първо заключение можем да посочим, че използването на кондензни котли има смисъл при нискотемпературни вторични системи. Ако се използва конвенционална система 90/70оС, регулаторът с компенсация по външна температура ще регулира температурата на потока в съответствие с диаграмата, показана на фиг. 1, а нивото на връщаните температури е изобразено чрез прекъсната линия. Както се вижда от това, кондензация може да възникне ако външната температура е над -2°C при предполагаемо използване на “перфектен” топлообменник. В действителност обаче, за оптимална кондензация е необходима връщана температура под 40°C. Това може да се очаква при температура над 7°С, каквото условие е налице през по-малко от 15% от отоплителния сезон. В такъв случай не си заслужава да се използват кондензни котли, особено с оглед на високите инвестиционни разходи. Използването на кондензен котел е препоръчително само при нискотемпературно отопление!

Фиг. 1

Как може да се осъществи нискотемпературно отопление?
Условие за оптимално приложение на кондензните котли е ниска връщана температура. Това може да се постигне по няколко начина. Избират се или радиатори с голяма площ при ниска скорост на потока или вместо радиатори се използват вентилаторни конвектори, или нискотемпературно повърхностно отопление (подово или стенно отопление). Въпреки по-високите си инвестиционни разходи, последният вариант има преимуществото да осигури по-добър комфорт и хората се чувстват добре дори при по-ниски стайни температури. Разбира се, тези системи не могат да бъдат оставени и да се смята, че те ще работят някак си. Те трябва да бъдат оборудвани с необходимата автоматика за управление. При повърхностното отопление температурата на потока не може да бъде произволна. Максималната температура на водния поток се ограничава, за да се избегне увреждане на пода или стените (в зависимост от конструкцията). За тази цел трябва да се използва смесителен регулатор! Освен това, използването на повърхностно отопление е свързано с доста сериозна система от критерии, които не са обект на обсъждане тук.

Влияние на голямата температурна разлика върху ефективността на котела
С просто логическо мислене лесно може да се разбере, че колкото по-ниска е температура на водата на входа на котела, толкова по-висока ще бъде ефективността на котела при загряване на водата. Фактът, че температурата на потока не може да се промени след проектиране на системата (всеки елемент е съответно подбран), ни оставя само една възможност и тя е да се намали връщаната температура. Тогава възниква справедливият въпрос как може да се постигне това. Отговорът на този въпрос е хидравлично регулиране на отоплителната система. Трябва да се вземат мерки в системата да циркулира само необходимото минимално количество вода и да се предотвратят свръхпотоци. За тази цел е подходящо да се използва автоматично регулиране на диференциалното налягане и регулатори на стайната температура с пряко действие в самите помещения. Все пак, при някои инсталации използването на регулатори на дебит и BMS система осигуряват оптимално решение.

Колкото по-ниска е връщаната температура, толкова по-голяма ще става температурната разлика и повече кондензна топлина ще може да се оползотворява от отоплителната система, а с това се подобрява и коефициента на полезно действие на котела.

Фиг. 2 Изменение на ефективността на котела

Фиг. 2 показва изменението на коефициента на полезното действие на 75/60°C система като функция на товара. Колкото по-малък е товарът, толкова по-ниски ще бъдат дебитът и връщаната температура, и коефициентът на полезно действие се подобрява. Ако се използва подходящо регулиране на вторичната страна (автоматично, с други думи динамично), тогава изчисленията показват, че връщаните температури са с 4,3°C по-ниски средно през целия сезон. В сравнение с така нареченото статично регулиране това прави 1-2% годишно подобрение на ефективността на котела. Цифрите за годишна ефективност от каталога за кондензни котли на Viessmann показват същия резултат.

Имайки предвид това и ако вземем под внимание факта, че с динамичното регулиране се постига по-точен контрол на стайната температура и разходът на топлинна енергия (за средно натоварване на котела) се намалява с 4.5%, можем да очакваме допълнително подобряване на коефициента на полезно действие, както е обозначено с червени точки на фигурата. Следователно, може да се твърди, че динамичното регулиране има основен принос за подобряване на ефективността на котела.

Приложението на нискотемпературните отоплителни системи дава възможност за оползотворяване на слънчевата енергия за отоплителни цели.

При непрекъснато растящите цени на енергията все повече си заслужава да разгледаме възможността за инсталация, работеща с други алтернативни възобновяеми енергийни източници. Въпреки, че разходите за инвестиции в тях са все още доста високи, а срокът на възвръщаемост е 8 – 15 години, тяхното приложение става все по-разпространено. Фиг. 3 показва система за отопление / БГВ захранвана от комбиниран котел, използващ и слънчева енергия.

Добре известно е, че слънчевата енергия може да се използва, в зависимост от типа на колектора, предимно за производство на БГВ. Все пак, през преходния период, една правилно изолирана слънчева клетка е в състояние да осигури достатъчно количество топлина за един дом, оборудван с нискотемпературно отопление или за отвръщане на повърхността на пода.

Фиг. 3

Необходим е, разбира се, контролер, който да е подходящ за системата. При такива системи свързването на котел към отоплителната система представлява основния проблем. Температурата на водата подгрята със слънчева енергия обикновено е по-ниска (през преходния или зимния период) отколкото температурата на потока, подаван от котела. По тази причина колекторите трябва да се използват като предварителни подгреватели. Трябва да се вземат обаче мерки да се избегне възможността слънчевите клетки да изстудяват резервоара с нагрята вода в периодите без слънчева светлина. Използването на обикновен диференциален превключвател за температура ще бъде достатъчно за тази цел.

Приложение на “комбо” газови бойлери в малки апартаменти или фамилни къщи
Приложението на така наречените “комбо” газови котли е изключително широко разпространено. Причините за това са лесното използване, лесното монтиране и това, че заемат малко място върху стената. Те обаче имат един голям недостатък, за който повечето потребители не знаят. Всички “комбо” котли са предвидени да могат да подават БГВ. За тази цел се използва някаква горелка, горивна камера и топлообменник, които да могат да осигуряват мощност 21-24 kW, за да загряват воден поток от 10 л/мин., необходим за БГВ. Необходимата мощност за отоплителни нужди обаче е около 5-8 kW за апартаменти и 10-15 kW за фамилни къщи при нормални външни температури. (В бъдеще тези стойности ще станат още по-малки вследствие на нововъведени топлотехнически стандарти). Веднага можем да видим, че тази отоплителна система няма да работи оптимално. Причината за това е, че котел с възможности за 24 kW ще се използва за производство на 5-8 kW топлинна енергия в предвидените по проект условия и само 2-4 kW през преходните периоди, когато външната температура е 2-5°C. Дори най-съвременните котли не могат да преодолеят този проблем, тъй като чрез регулиране на височината на пламъка мощността на котела може да се намали до 10-12 kW. На практика това означава, че котелът не работи непрекъснато, през цялото време се включва и изключва, с което се увеличават загубите от превключване. Коефициентът на полезно действие в реални експлоатационни условия се оказва съвсем различна от данните за ефективност, посочени от производителя. Неотдавна Бауман Михали, старши преподавател в университета в гр. Печ, публикува няколко статии на тази тема, в които се посочва, че разчетената годишна ефективност при конвенционалните котли е около 55%, а при кондензните котли е 63%. В такъв случай, по-добро решение може да се постигне чрез избиране на по-малък котел, който да съответства на отоплителните потребности и чрез предвиждане на отделен резервоар за БГВ. На фиг. 4 е показано едно такова решение.

Фиг. 4

Управлението на котлите (On/Off управление) – в зависимост от вторичната система – изисква специално внимание

При по-малките системи (в еднофамилни къщи) най-често се използва обикновен стаен термостат с On/Off управление (в повечето случаи). Тук може да спомене, че един програмируем стаен термостат, освен че поддържа нивото на комфорт, осигурява значителна икономия на енергия. Такъв термостат, производство на Данфосс, е показан на фиг. 5. Програмируемите термостати ни дават възможност да намалим отоплението през нощта или да настроим по-ниска температура в къщата през деня и комфортна температура в момента, в който се върнем в къщи.

Фиг. 5

Когато се настройва електрониката трябва да се обърне внимание на това, кога да започне нагряването, което винаги зависи от акумулиращия капацитет на сградата и мощността на отоплителната система. По време на загряването на сградата трябва да се подаде допълнителна енергия и котелът трябва да е в състояние да я осигури. (Това не представлява проблем, тъй като системата обикновено се оразмерява за малко по-голяма мощност с цел сигурност). Различно е положението при повърхностното отопление (подово или стенно).

Тъй като масата на отоплителната повърхност е много голяма, акумулирането на топлина в системата достига изключително високи стойности. В резултат на това лесно може да се получи превишаване на стайната температура и излишно прегряване или пък положение, при което да е необходимо твърде много време за загряване на помещението. За да се избегне това трябва да се използва термостат с много малък хистерезис (под 0.5°С). Дигиталният термостат, показан на фиг. 5, има много малък хистерезис, едва 0.2°С.

Някои котли се предлагат със свой собствен стаен термостат. По същество този термостат следи разликата между зададената температура и фактическата температура в помещението. Ако тази разлика се увеличи (стайната температура спадне под зададената стойност), тогава електронният регулатор увеличава височината на пламъка в котела, в резултат на което към системата се подава допълнителна енергия и температурата в помещението се повишава. Това решение работи ефикасно, ако номиналната отдавана мощност на котела е приблизително еднаква с действителните потребности от отопление. Ако потребностите от топлинна енергия са по-ниски от изходящата мощност на котела при минимална височина на пламъка, тогава термостатът пак ще включва/изключва котела по-често.

В някои случаи програмираното, така наречено хроно-пропорционално регулиране на отоплението може да се окаже полезно. Някои от по-усъвършенстваните термостати имат тази функция (като този по-горе). Този начин на регулиране определя колко пъти термостатът може да ВКЛЮЧИ котела на часова база и колко дълго да продължи да работи след включването. По този начин могат да се намалят загубите от превключване на котела

Местоположението на стайния термостат
Много често е необходимо доста добре да се обмисли къде да бъде разположен стайния термостат. Най-често за тази цел бива избирана всекидневната стая (дори разположението й да е южно), тъй като хората прекарват повече от времето си там. Това обаче често е причина за сериозен проблем свързан с неравномерно отопление. Както беше споменато по-горе, ние прекарваме повече от времето си в общата стая, следователно именно там ние „произвеждаме“ най-много топлинна енергия (напр. излъчваната от телевизора, осветлението или хората топлина). Поради това температурата във всекидневната стая се повишава и термостатът изключва котела. Другите стаи, които обикновено не се използват в момента, изстиват чувствително и така се получават големи разлики между температурите в отделните стаи. Ето защо е целесъобразно термостатът да бъде поставен в помещението, което винаги “претърпява” най-голяма загуба на топлина. Ако не може да се определи такава стая, съществува възможността да се използват повече термостати и сградата да бъде разделена на зони или просто да се използва безжичен термостат работещ с радиочестоти. По този начин безжичният термостат може да се поставя в помещението, където в момента има най-голямо спадане на температурата.

Въпроси за индивидуално регулиране на температурата в стаите
Стайните термостати, описани по-горе могат само да включват/изключват котела въз основа на така наречената еталонна стайна температура, независимо от температурните промени в другите помещения.  Естествено възниква необходимост от индивидуално регулиране на температурата във всяка стая.

Фиг. 6

За тази цел, при сегашното състояние на нещата, аз препоръчвам използването на термостатични радиаторни вентили. Те осигуряват най-ефективното решение за индивидуално регулиране на температурите в стаите по отношение на цена и технически възможности. По същество, уредът отчита стайната температура и пропуска само толкова вода, колкото е необходимо, за да се поддържа желаната (зададена) стайна температура. С това решение се осигурява възможно най-голяма температурна разлика между връщаната и подаваната за отопление вода увеличавайки по този начин коефициента на полезно действие на котела.

Нещо повече, има и други преимущества, като равномерната и комфортна стайна температура, както и потенциалната възможност за 20% икономия на енергия и парични средства.

Нека не забравяме обаче един важен момент! Предвид на това, че размерите и разположението на стаите са различни, ще са необходими различни количество вода за всяка стая. Това може да се реши с помощта на така наречената функция за предварителна настройка, която се предлага от по-взискателните производители.

Намесата във вече съществуващи отоплителни системи е изключително деликатен въпрос. Предвид на своята важност, тази тема си заслужава да бъде разгледана в отделна статия.

Стойността на автоматиката за управление възлиза на около 2% от общите инвестиционни разходи за една отоплителна система. Няма смисъл да се спестява автоматика, която осигурява комфорт, икономия на енергия (пари) и непрекъснатост на работния процес.

За контакти и повече информация – www.devi.danfoss.com/bulgaria.