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:
1. исключительная эффективность инвестиций;
2. экономичное и высокоэффективное решение коммуникации в каскаде;
3. большая экономия расходов по сравнению с иными источниками тепла;
4. полностью автоматизированная работа;
5. отличная экономика эксплуатации;
6. широкая модуляция мощности котельной в целом (напр. от 13 до 720 кВт);
7. высокая надёжность в работе;
8. простой монтаж и ввод в эксплуатацию;
9. простое и наглядное техническое решение;
10. простое и наглядное управление;
11. оптимальная адаптация для подключения бойлера ГВС;
12. малая занимаемая площадь;
13. удаленные диагностика и мониторинг котельных;
14. 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

Высокая энергоэффективность современных каскадных котельных обусловлена гибким режимом работы, при котором расходуется ровно столько топлива, сколько нужно для отопления и ГВС. Благодаря автоматизированной системе управления каскадом и погодозависимой автоматике (сегодня их предлагает большинство производителей котельного оборудования), каскадные котельные допускают большой диапазон модуляции мощности и снижают нагрузку на каждый из котлов, тем самым увеличивая долговечность их работы.

В каскадных котельных теплоноситель нагревается несколькими котлами напольного или настенного исполнения, которые подключены последовательно. В зависимости от тепловой нагрузки эти котлы могут работать как вместе, так и поочередно. К достоинствам каскадных систем нужно, во-первых, отнести возможность гибкого варьирования мощности. Так, например, каскадная котельная на базе трех котлов с двухступенчатыми горелками может работать на шести различных ступенях мощности. Это позволяет более точно подстраивать тепловую производительность системы в соответствии с суточными, сезонными и другими изменениями нагрузки и более эффективно обеспечивать объект теплом. Во-вторых, каскадные котельные характеризуются высокой надежностью: при выходе из строя одного котла или при проведении регламентных профилактических процедур котел можно отключить для замены или чистки без остановки всей системы. В зимний сезон бесперебойность работы системы позволит избежать ее замораживания. В-третьих, при поочередном включении котлов, когда котельная функционирует с неполной тепловой нагрузкой, увеличивается общий ресурс котлов, поскольку контроллер, управляющий работой каскада, включает котлы в такой последовательности, чтобы их ресурс вырабатывался равномерно. К другим достоинствам каскадных котельных можно отнести массогабаритные преимущества используемых агрегатов: детали и блоки котлов меньшей мощности, как правило, меньше по размерам и легче по весу, заменить их в случае неисправности значительно проще (к тому же они дешевле за счет большей серийности производства). К недостаткам каскадных систем можно отнести расходы, связанные с приобретением дополнительного оборудования (каскадного контроллера, запорных и обратных клапанов, циркуляционных насосов, газового коллектора, дополнительных труб для обвязки и общего дымохода и пр.), а также расходы, связанные с установкой нескольких котлов и монтажом более сложных гидравлической и дымоотводной систем. Но ввиду того, что многие производители предлагают типовые решения для создания каскадных котельных (гидравлические модули, дымоходные системы, а для установки настенных котлов - нередко и рамы с полностью готовой трубной обвязкой), монтажные и пусконаладочные работы сегодня не создают больших сложностей.

Устройство каскадной котельной и ее компоненты

Количество, тип и мощность котлов, которые будут использоваться в каждом конкретном каскаде, необходимо определять с учетом потребления объектом тепла в зависимости от времени года и суток. В некоторых случаях приходится принимать во внимание и другие факторы, которые могут привести к изменению режима потребления тепла. Также необходимо учитывать размер помещения, где будет размещена котельная, и финансовые возможности заказчика.

Сегодня в ассортименте всех основных производителей котельного оборудования представлено несколько серий котлов, которые могут объединяться в каскады. Традиционно занимавшие нишу бытового теплоснабжения настенные газовые и газовые конденсационные котлы сегодня могут быть использованы для отопления промышленных объектов: на рынке представлены настенники мощностью сто и более киловатт, что позволяет формировать на их основе котельные мегаваттных значений. Как правило, каскадные системы состоят из двух, трех или четырех котлов, управляемых единым каскадным контроллером, но встречаются котельные, где работает 8 или 16 агрегатов. Так, серия настенных конденсационных котлов Rendamax R40 (6 моделей номинальной мощностью от 45 до 150 кВт, рис. 1) при каскадном подключении восьми агрегатов позволяет создавать каскадные установки мощностью до 1080 кВт. Котлы оснащены двухтрубчатым теплообменником из нержавеющей стали со встроенной спиралью для предотвращения пристеночной накипи и горелкой с функцией непрерывной электронной плавной модуляции пламени. Среднегодовой КПД котлов достигает 106,2 %, максимальное рабочее давление - 8 бар, максимальная температура - 90 °С. Котлы, работающие в каскаде, обычно размещают в один ряд или устанавливают «спиной к спине».

Каждый котел, входящий в каскад, необходимо оборудовать отдельными вентилями подающей и обратной линий, газовым краном. С их помощью вышедший из строя котел можно отключить от гидравлической системы без остановки котельной. Так же каждый котел оснащают отдельными краном для заполнения и слива воды и механическим фильтром, обратным клапаном. Для того чтобы съем тепла с котлов и их охлаждение осуществлялись равномерно, каждый котельный контур рекомендуется оборудовать индивидуальным циркуляционным насосом.

Как правило, дымоходы котлов каскадной системы сводят в общий дымоходный канал, расположенный в помещении котельной. Он присоединяется к основной дымовой трубе здания. К одному дымоходному каналу можно подключать дымоходы не более, чем от четырех котлов. При проектировании дымохода для каскадных котельных необходимо руководствоваться СП 42-101-2003 «Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб».

Для упрощенного монтажа каскадных котельных ряд производителей, например компания Navien (Корея), предлагает гидравлические модули - готовые гидроузлы, смонтированные на несущей стальной раме, которые рассчитаны на 4 или 8 котлов и включают циркуляционные насосы, трубную разводку радиаторного и напольного отопления и все необходимые контрольно-измерительные приборы. Модули Navien оснащаются встроенной автоматикой погодозависимого управления; сервоприводы и датчики подключены к каскадному контроллеру, на котором температурные графики, временные программы и параметры контуров выставляются индивидуально для каждого котлоагрегата. При работе с газовыми и газовыми конденсационными настенными котлами Navien, под габариты и присоединительные размеры которых разрабатывались данные инсталляции, практически полностью устраняются все возможные ошибки при проектировании, монтаже и пусконаладке котельной.

Гидравлический разделитель

Обычно гидравлическая система каскадных котельных включает несколько котельных (первичных) и несколько отопительных (вторичных) контуров, разделенных коллектором. Все первичные и некоторые вторичные контуры оснащаются отдельными насосами. Режимы работы насосов отопительных контуров определяются потребностью объектов в тепле, и согласовать их с режимами работы насосов котельных контуров довольно сложно. Это может привести к следующим негативным последствиям:

Снижению производительности и даже выходу насосов из строя (под действием более мощных насосов);

Работе системы отопления в условиях, отличающихся от расчетных и, как результат, снижению качества теплоснабжения объекта, дополнительному расходу энергии, выходу из строя элементов системы, ее разбалансировке;

Повышению уровня шума при увеличении скорости движения воды.

Для того чтобы этого не происходило, большинство производителей котельной техники настоятельно рекомендует оборудовать каскадные системы гидравлическим разделителем (гидравлической стрелкой). Это устройство разделяет котельные и отопительные контуры и снижает перепад давления на коллекторе почти до нуля. Также в гидравлическом разделителе может происходить подмешивание воды подачи к обратной воде и наоборот. Такая необходимость может возникнуть, например, когда нужно понизить температуру теплоносителя, поступающего в низкотемпературный контур. Гидравлические разделители рекомендуется использовать, если расчетная разница между давлением на входе и выходе коллектора превышает 40 мбар. В некоторых случаях (конденсационные котлы, подключенные в каскад, наличие смесительного контура и др.) их использование является обязательным.

Управление каскадной котельной

Относительно простые каскадные системы (небольшое количество котлов и отопительных контуров, постоянная тепловая нагрузка) могут управляться без применения каскадного контроллера. Для этого на каждом котле достаточно установить требуемую температуру выходной воды. Для управления сложными отопительными системами (три или более котлов, несколько отопительных контуров, работающих в разных температурных режимах, тепловая нагрузка, меняющаяся на протяжении суток) необходимо использовать каскадные контроллеры.

Современные каскадные контроллеры обладают большим количеством функций, и к ним можно подключать самые различные дополнительные устройства: температурные датчики, насосы, приводы смесительных клапанов и другие устройства. Одной из основных функций контроллера является обеспечение такого режима, при котором время работы всех котлов, входящих в каскад, было бы одинаковым. Для этого в прошивку контроллера вводят таблицы ротации, определяющие порядок включения котлов во время определенного периода времени. Если каскад состоит из котлов с модулируемыми горелками, контроллер включит столько приборов, чтобы их суммарная мощность превышала существующую нагрузку. В результате горелки будут работать на частичной мощности, тепловая нагрузка на детали котлов снизится, и их технический ресурс будет вырабатываться медленней.

Каскадные котроллеры подключаются к разъемам, предназначенным для присоединения индивидуальных комнатных термостатов, или к специальным разъемам. Как правило, их устанавливают на один из котлов (ведущий). Управление другими котлами (ведомыми) контроллер осуществляет через коммуникационные шины (например, через шину LON). Через специальные коммуникационные модули к контроллеру можно подключать блоки управления отопительными контурами. Некоторые модели каскадных контроллеров могут одновременно регулировать температуру в нескольких десятках отопительных контуров.

Необходимо отметить, что стоимость каскадных контроллеров колеблется от 500 до 1800 евро, стоимость различных приборов, используемых для управления котельной (приводы, температурные датчики, коммуникационные модули и т. д.), - от 40 до 300 евро. Соответственно, стоимость полной автоматизации даже относительно простой каскадной котельной может составить несколько тысяч евро.

Каскадные системы с конденсационными котлами

Традиционно при определении КПД котла сравнивают выделяемое им тепло и низшую теплоту сгорания топлива (ее принимают равной 100 %). В конденсационных котлах для получения дополнительной тепловой энергии используется тепло, которое выделяется при конденсации водяного пара из дымовых газов и утилизируется специальным теплообменником. Количество тепла, выделяемое при конденсации пара, в первую очередь будет зависеть от температуры обратной воды (теплоносителя). Для обеспечения устойчивости прохождения процесса необходимо, чтобы температура воды, поступающей в теплообменник, была ниже температуры точки росы (для природного газа - 57 °С) на 10-15 °С. При соблюдении этого условия КПД котла может достигать 109 %.

Конденсационные котлы обладают рядом достоинств. Во-первых, их оборудуют модулируемыми горелками. У мощных конденсационных котлов в камере сгорания создается высокое избыточное давление, и они не зависят от колебаний тяги. Такие котлы могут без потери эффективности работать в диапазоне модулирования от 20 до 100 % мощности, и их производительность можно сверхточно подстраивать к изменениям тепловой нагрузки. Во-вторых, в дымовых газах конденсационных котлов содержится очень небольшое количество CO и NОx, и их можно эксплуатировать в крупных городах и природоохранных зонах. В-третьих, на всей протяженности дымоходов мощных конденсационных котлов создается избыточное давление. Такие агрегаты можно оснащать низкими дымовыми трубами небольшого диаметра.

Согласно заявлениям некоторых производителей, при благоприятных условиях для производства одного и того же количества тепла на протяжении длительного времени конденсационным котлам требуется на 35 % газа меньше, чем традиционным котлам. Соответственно, их использование в мощных каскадных системах позволит пользователю значительно сократить расходы, связанные с приобретением топлива. Однако приобретение и эксплуатация таких котлов связаны с определенными трудностями. Во-первых, конденсационные котлы отличаются высокой стоимостью, во-вторых, для эффективной работы им необходимо обеспечить подачу обратки с температурой ниже 45 °С. Наконец, работа конденсационных котлов сопровождается выделением большого количества конденсата, который необходимо утилизировать.

В странах Европы широкое распространение получили каскадные котельные, созданные на базе одного конденсационного (основного) и одного обычного (резервного) котла. Большую часть отопительного периода в котельной работает экономичный конденсационный котел. Обычный котел включается только для покрытия пиковых тепловых нагрузок или при временной остановке основного агрегата, связанной с его поломкой или проведением регламентных работ. Такая комбинация позволяет сократить стоимость котельной и снизить расход топлива.

Мощности современных конденсационных котлов напольного исполнения могут достигать нескольких мегаватт. Соответственно, на базе одного конденсационного и одного обычного котла можно создать каскадную котельную для теплоснабжения большинства крупных гражданских или промышленных объектов. В числе производителей, выпускающих конденсационные котлы промышленной мощности, можно назвать такие компании, как Bosch, De Dietrich, Ferroli, Unical, Viessmann и некоторые другие. Международный концерн Bosch является одним из немногих производителей, выпускающих трехходовые конденсационные котлы. В номенклатуре теплоэнергетического оборудования этой фирмы наиболее мощными конденсационными котлами являются серии SB745 и SB825. Линейка SB745 (рис. 2) включает три модели максимальной производительностью от 790 до 1200 кВт при температурном режиме 40/30 °С (или от 723 до 1098 кВт при температурном режиме 75/60 °С). Эти котлы оснащаются теплообменниками из нержавеющей стали и работают со сменными одно-, двухступенчатыми и модулируемыми вентиляторными горелками. Стандартизированный КПД составляет 109 %, максимальное рабочее давление - 5,5 бара. Серия трехходовых жаротрубных газовых конденсационных котлов SB825 включает 16 типоразмеров с максимальной полезной мощностью от 750 до 19 200 кВт. Данные котлы оснащаются съемными вентиляторными горелками. Стандартизированный КПД также может достигать 109 %, допустимое избыточное давление котлов составляет 6 или 10 бар (опция).

В ряду конденсационных котлов промышленной мощности интерес представляют котлы De Dietrich серии C 610 Eco (рис. 3), в основе которых - комбинация из двух котлов C 310 Eco. По сути дела это каскадная котельная в одном заводском корпусе, имеющая единую систему управления и общую системы дымоотведения. Серия включает 4 модели максимальной мощностью от 706 до 1146 кВт при работе в температурном режиме 50/30 °С (или от 654 до 1062 кВт при температурах на выходе-входе 80/60 °С). При максимальной мощности и температурном режиме 70 °С КПД котла составляет от 97,3 до 98,5 %, а при 20 % мощности и 30 °С - от 107,7 до 108,9 %.

Как видно из вышеприведенных данных, наиболее эффективно конденсационные котлы работают в составе низкотемпературных (40/30 °С) систем отопления (напольное или низкотемпературное радиаторное отопление, системы теплоснабжения технологических процессов и др.). В этом случае их КПД может достигать 109 %. В то же время даже в системах с достаточно высокой расчетной температурой обратной воды (от 50 до 70 °С) условия, при которых начинается конденсация, могут быть выполнены. Практика показывает, что в котлах, установленных в средней полосе России и управляемых погодозависимой автоматикой, среднегодовой КПД может составить от 100 до 104 %. Также достаточно низкую температуру обратной воды можно обеспечить, если хотя бы один отопительный контур системы является низкотемпературным и его мощность превышает 15 % мощности всей системы. В этом случае обратную воду из этого контура нужно подмешать к общей обратной линии или направить ее непосредственно на конденсационный теплообменник котла (в некоторых моделях конденсационных котлов гидравлические контуры основного и конденсационного теплообменников имеют раздельное подключение).

Система с попутным движением теплоносителя

Если расход теплоносителя не соответствует мощности котла (ниже требуемого), то агрегат не сможет стабильно работать и его горелка будет «тактировать» - слишком часто включаться и выключаться. Каждое включение горелки сопровождается повышенной эмиссией вредных веществ, резким увеличением механической и тепловой нагрузок на различные элементы горелки (это ускоряет износ этих элементов), дополнительным расходом энергии на продувку камеры сгорания, подогрев жидкого топлива и т.д. Поэтому съем тепла со всех котлов, работающих в каскаде, должен осуществляться равномерно, в соответствии с их мощностью. Охлаждение котлов обратной водой из системы отопления тоже необходимо осуществлять равномерно. В противном случае может возникнуть ситуация, когда один котел, входящий в каскад, будет перегрет, а другой охлажден до температуры ниже точки росы. При этом в нем может начаться конденсация водяных паров (из продуктов сгорания).

В каскадной котельной, где используются котлы равной мощности, съем тепла и охлаждение котлов будут осуществляться равномерно только в том случае, если через них будет проходить равное количество теплоносителя. Для этого необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление всех параллельных контуров было одинаковым. Особенно важно выполнить это условие в каскадах, где используются котлы с небольшим объемом воды. Для выравнивания гидравлического сопротивления рекомендуется использовать гидравлический разделитель и оснащать каждый котловой контур насосом. Если по какой-либо причине сделать это не удается, равный расход теплоносителя можно обеспечить, используя систему с попутным движением теплоносителя. В западной литературе ее называют схемой Тихельмана. В этом случае длины всех котловых контуров будут равными, а разница между их гидравлическим сопротивлением окажется незначительной. Это позволит выравнять расход воды котлов, работающих в каскаде.

Статья из журнала «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ» (№ 2/29 2015)

Монтаж отопительной котельной выполнен на базе двух напольных котлов Сигнал КОВ-63СТ (СТ) и КОВ-31,5СП. Для обеспечения нужд горячего водоснабжения установлен бойлер косвенного нагрева MEGA W-E-100.81. Для циркуляции теплоносителя системы отопления установлен насос GH 32/8. Для компенсации температурных расширений теплоносителя установлен расширительный бак. Отвод дымовых газов осуществляется в индивидуальные дымовые сэндвич-трубы 150 х 220 мм. Котельная автоматика электронезависимая.

Рассмотрим, что такое каскадная котельная

Каскадная котельная - это несколько котлов, связанных между собой. При этом достигается более плавное регулирование тепловой мощности котельной и значительное снижение ее минимальной мощности. У котлов с электронным регулированием минимальная мощность, в среднем, составляет 35% мощности одного котла.

Теперь сравним. При отоплении помещения, к примеру 1 000м² необходима мощность, в морозы, около 120 кВт. Если Вы поставите один котел такой мощности, то, при наступлении оттепели, его мощность снизится до 35% максимальной и составит 120*35/100=42 кВт. Теперь возьмем котельную из трех котлов по 40 кВт. Максимальная мощность останется прежней 3*40=120 кВт, а как минимальная? Не забываем, что на минимуме это 35% мощности ОДНОГО котла. Получим: 40*35/100=14 кВт.То есть минимальная мощность снизится в 3 раза! Во столько же раз снизится и потребление топлива (газа). В наш век постоянно растущих цен на энергоносители, согласитесь, это крайне важно.

О других плюсах каскадных котельных. Вы всегда можете отключить один из котлов. Например, для ремонта, профилактики или сервисного обслуживания. При этом нет риска заморозить систему отопления или остаться без горячей воды.

Какие котлы нужны для работы в каскаде? В принципе, в режиме каскаде могут работать как котлы «начиненные» электроникой, так и котлы с электронезависимой автоматикой. Конечно, электронная автоматизация уменьшит Вам хлопот. Вы сможете установить погодные датчики и датчики внутренней температуры, тогда котел будет «понимать» какую температуру теплоносителя ему поддерживать.

Если еще добавить недельный программатор, то котел будет разогревать помещение к приходу людей и снижать температуру, когда никого нет. возможно удаленное управление котельной через интернет или через СМС сообщения. При невысокой нагрузке, котлы работают по очереди, продляя себе срок службы. Есть одно «но». Если у Вас часто пропадает электричество такая автоматика бесполезна. При отключении напряжения или снижения его ниже 170 В, котлы остановятся и перестанут функционировать. Потребуется ждать когда напряжение придет в норму.

Соединяя между электронезависимые котлы, Вы теряете удобство управления и плавность регулирования. Нарастание мощности котельной происходит скачкообразно. В случае из примера, мощность растет по 40 кВт, при включении следующего котла из каскада. Опять же повышается надежность и автономность работы.

Итак подытожим:

Если вам необходимо обогреть достаточно большое помещение (свыше 400м², то лучше поставить каскадную котельную, чем один котел, ну, а электрозависимой она будет или нет - зависит от Ваших потребностей и местных условий.

Ни для кого не секрет, что централизованное обеспечение теплом уже существующих и вновь строящихся объектов с каждым годом становится все более проблематичным. В частности: отсутствие возможности объективного учета, большие потери тепла при транспортировке, субъективность при определении стоимости, монополистический характер деятельности поставщиков тепла, невозможность наращивания существующей мощности, а, следовательно, и запрет на подключение дополнительных потребителей – вот только некоторые проблемы, из-за которых взгляды специалистов обращаются в сторону автономного отопления и горячего водоснабжения.
В связи с этим, в последние годы в нашей стране все большей популярностью пользуются блочные котельные, модульные котельные или каскадные котельные.
Компания Термона-Бел продвигает на отечественном рынке отопительное оборудование Чешской фирмы Thermona (Термона), которая уже много лет работает в направлении совершенствования оборудования для автономного отопления. Одними из первых в мире, специалисты фирмы Thermona (Термона) 13 лет назад пришли к идее создания на основе настенных газовых котлов каскадных котельных мощностью от 8 до 1440 кВт.

Каскад на базе котлов THERM - это последовательное подключение нескольких котлов (до 16-ти единиц) в единую систему отопления с программным управлением. Особенность подсоединения и конструкции котлов Therm позволяет плавно регулировать суммарную мощность всех котлов в каскаде от минимальной мощности одного из котлов. Например, при установке каскада из 16-ти котлов THERM TRIO 90, суммарная мощность котельной составит 1440 кВт, а минимальная – 36 кВт, т.е. 2,5 % ее максимума. Для сравнения – современный котел мощностью 1500 кВт обеспечивает диапазон регулирования от 1050 кВт до 1500 кВт это от 70 до 100% мощности.
В технике отопительных систем каскадная котельная на базе котлов THERM является новаторским методом для оптимизации работы систем отопления с большой мощностью. Вполне очевидно, что теплопотери объекта, а соответственно и мощность котельной рассчитывается исходя из самых низких температур в данном регионе, а реальная нагрузка на котельную значительно ниже установленной.
Практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% рабочего периода 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 (традиционная система) будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В противоположность этому каскадная система 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, то есть комфорт пользователя.
Применение котлов THERM DUO, TRIO и KD в каскаде позволяет достичь оптимального соотношения занятой площади к установленной мощности котельной с сохранением одного из основных преимуществ каскадного подключения - несравнимо широким диапазоном плавной модуляции мощности. В организации котельной применяются одноконтурные настенные котлы мощностью 20, 28, 45 и 90 кВт. Собирать в каскад можно от 2 до 16 агрега-тов, в зависимости от необходимой мощности. Все котлы – современные, технически совершенные газовые приборы, имеющие КПД до 94%, со сроком службы не менее 15-20 лет.
Существенным преимуществом каскадной котельной на базе котлов THERM перед традиционными котельными является ее высокая надежность и увеличенный срок эксплуатации. Высокая надежность котельной достигается за счет совместной работы нескольких котлов в одной системе, причем, выход из строя одного из котлов не останавливает работу системы отопления в целом. Программное обеспечение, положенное в основу работы каскадной котельной составлено таким образом, что ежедневно происходит смена последовательности запуска котлов. Следовательно, если сегодня котел запускается первым, то на следующий день он становится последним в очереди и его запуск произойдет только при условии необходимости работы котельной на полную мощность. За счет этого увеличивается эксплуатационный ресурс каждого котла, что и приводит к увеличению срока службы котельной в целом. Несомненным плюсом в каскадной котельной является возможность подключения бойлера косвенного нагрева к каждому котлу (за исключением управляющего). Таким образом, в котельной из 16 котлов можно подключить 15 бойлеров от 200 до 1000 литров каждый и тем самым удовлетворить любые потребности в горячем водоснабжении. Автоматика котла отдает предпочтение подготовке ГВС, а при отсутствии необходимости ее подготовки - котел переходит к работе в систему отопления совместно с другими котлами. При переходе работы каскадной котельной из зимнего – в летний режим эксплуатации остается режим подготовки ГВС, насосы системы отопления один раз в сутки в автоматическом режиме запускаются, прогоняя теплоноситель по системе, а также активной остается функция антизамерзания. К преимуществам каскадного подключения котлов, бесспорно, относится возможность выбора множества вариантов котельной: расположение и размещение. Осуществить монтаж котельной можно практически где угодно: в подвальном или чердачном помещениях, в специально сделанной пристройке.
В случае организации котельной на крыше – огромным преимуществом каскада из настенных котлов перед стационарными напольными является небольшой вес и легкость их доставки к месту установки. Нет необходимости в применении специальных кранов для подъема оборудования при установке или демонтаже. Не нужно разбирать крышу в случае замены котла. Неисправные комплектующие котла заменяются на месте. Малый вес оборудования и размещение его на стене – позволяют избежать нежелательных нагрузок на перекрытия здания. Отвод дымовых газов при применении котлов в варианте «турбо» возможен непосредственно через стену, на которой крепится котел. Это позволяет экономить на строительстве дорогостоящего дымохода из нержавеющей стали. Неоспоримым достоинством является автоматическая регуляция работы котельной. Программатор обеспечивает управление в соответствии с заданной на данный промежуток времени температурой в помещении. Он привлекает к работе необходимое количество котлов из каскада и на такую мощность, которая действительно необходима. Отсутствие «человеческого фактора» исключает ошибки в управлении. В целом, создается универсальная система климат-контроля здания. При возрастании в помещении температуры свыше заданной, программатор отключает работу котельной, а при необходимости термостат системы кондиционирования включает в работу систему кондиционирования. В случае снижения температуры – все происходит в обратной последовательности. Приборы контроля котельной позволяют диспетчеру сервисной организации со своего компьютера через модем видеть текущее состояние всего оборудования.
Компания Термона-Бел является официальным дилером чешской фирмы Термона на территории РБ. Основными направлениями деятельности компании Термона-Бел являются оптово-розничная торговля котельными, обучение заинтересованных специалистов, монтаж и пуско-наладочные работы котлов, гарантийное и сервисное обслуживание котельных, поставка запасных частей для котлов и другие мероприятия, направленные на продвижение оборудования на территории РБ.
Вкратце сформулировать основные преимущества каскадных котельных на базе котлов THERM можно следующим образом:
выгодное капиталовложение;
экономичность эксплуатации за счет широкого диапазона плавной модуляции мощности (минимальный порог от 20% при установке 2-х котлов и от 3% при 16 котлах);
полная автоматизация управления;
погодозависимое регулирование;
дистанционный контроль и управление работой котельной через программатор или ПК;
отсутствие необходимости содержать штатных работников в котельной;
высокая эксплуатационная надежность за счет работы нескольких котлов в одной системе;
увеличенный срок эксплуатации котельного оборудования;
простота и наглядность технического решения;
простота монтажа и пуска в эксплуатацию;
простое и понятное управление;
небольшая площадь занимаемого помещения;
использование пола для других компонентов котельной;
удобное присоединение внешних резервуаров для подготовки ГВС;
возможность монтажа котельной большой мощности без устройства дорогостоящего дымохода;
бережное отношение к окружающей среде.
Правильный выбор источника тепла поможет сэкономить очень много средств при сохранении требуемого комфорта. При сравнении экономических показателей эксплуатируемых жилых домов и других объектов перед установкой каскадных систем Therm и после их установки пользователи часто достигают невероятной экономии энергии до 40% в год, поэтому окупаемость инвестиций происходит очень быстро и очевидно!

Каскадирование 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.

Перечислим основные преимущества каскадной системы отопления:

1) повышение надежности (если выходит из строя один котел, то остальные могут частично или полностью покрыть требуемую тепловую нагрузку);

2) повышение экономичности (обычные котлы теряют довольно много эффективности при работе на частичной мощности);

3) упрощение монтажа (отдельные элементы каскада намного проще доставить на место и смонтировать, чем один котел большой мощности).

Очевидно, что система из нескольких котлов вместо одного способна эффективнее обеспечивать условия расчетных нагрузок. Исходя из этого, можно предположить, что чем больше ступеней в каскадной системе, тем лучше она удовлетворит нагрузки отопительной системы. Это особенно эффективно, когда необходимо обеспечить невысокие показатели мощности. Однако с увеличением количества ступеней увеличивается и площадь поверхности теплоотдачи системы (теплопотери через обшивки котлов), через которую происходит потеря тепла. Это, в конечном счете, может свести на нет преимущества повышенного КПД такой системы. Поэтому использование более четырех ступеней не всегда целесообразно.

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. 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 навесные котлы повышенной мощности 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 три котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальной 10 кВт, суммарное регулирование производительности будет осуществляться в диапазоне от 150 до 10 кВт. Следовательно, коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 15:1.

Необходимые условия для «модулируемого» каскада

Существуют три важных условия, которые следует выполнить при проектировании системы «модулируемого» каскада.

Во-первых, подводки магистралей и контроллеров должны быть реализованы так, чтобы была возможна независимая регулировка 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.

Подача теплоносителя в каждый котел с помощью индивидуальных циркуляционных насосов позволяет повышать давление в теплообменнике работающего котла в целях предотвращения кавитации и взрывного парообразования.

Во-вторых, подключение подающей и обратной магистралей для каждого котла должно быть выполнено параллельно (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.

Кроме того, 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 отопления. Естественным решением данного вопроса является применение гидравлического разделителя низкого давления.

Этапы монтажа системы

Подключение системы каскада выполняется в три этапа (рис. 1 ):

1) гидравлической увязки котлов и системы;

2) подключения в единый коллектор дыма;

3) настройки автоматики каскада.

Благодаря модульной системе монтажа, которую можно сравнить со сбором детского конструктора, достигается высокая скорость инсталляции и надежность работы системы.

Основные этапы монтажа каскадной теплогенерирующей установки показаны на рис. 2 .

Естественно, что основным способом согласования нескольких теплогенерирующих единиц и системы теплоснабжения является гидравлический коллектор низкого давления.

Методы расчета подбора и монтажа его уже неоднократно описывались в специализированной литературе, поэтому в рамках этой статьи не стоит вновь возвращаться к этому вопросу.

Cистема гидравлического согласования котлов состоит из нескольких стандартных шагов подключений:

❏ двух котлов в каскад;

❏ третьего котла в каскад;

❏ группы безопасности каскада (рис. 3 ).

В зависимости от необходимой мощности можно собирать каскад из двух или трех котлов.

Материалом основы служат толстостенные никелированные трубы, которые соединяются с помощью быстроразъемных соединений (так называемых «американок»). В комплект поставки входят все необходимые элементы, начиная от запорных кранов и заканчивая прокладками.

Такая комплектация позволяет максимально оперативно и аккуратно осуществить монтаж каскада.

Модулируемое управление

Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (ПИД) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает ее с расчетным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить. Для управления каскадом котлов и 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 через определенный промежуток времени. В большинстве систем «модулируемого» каскада способ контроля другой. Как правило, цель — увеличение времени работы котлов в низкотемпературном диапазоне и при неполной мощности.

Компания Immergas рекомендует использовать для своих котлов Victrix 50 контроллеры Honeywell серии Smile SDC 12-31 (рис. 4 ). Хотя разные производители предлагают разные системы управления, общепринятый подход такой: включение котла, далее модулирование его работы до уровня теплопроизводительности, которая удовлетворяет необходимую нагрузку.

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, 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 условия. 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 контроллеров

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. 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 том числе 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.