Понятие КПД котлов и систем отопления: обзор и способы увеличения

Назад

Опубликовано: 01.06.2019

Время на чтение: 3 мин

0

1633

Перед выбором и покупкой стоит произвести правильный расчет КПД котла и уточнить все его параметры и факторы, которые повлияют на его работу и объем вырабатываемого тепла.

• 1 Что такое КПД котла и какие процессы влияют на его величину
• 2 Как рассчитать КПД
• 3 Как увеличить КПД газового котла
• 4 Газовые котлы с самым высоким КПД

КПД-брутто и КПД-нетто

Не всё выработанное при сгорании топлива тепло направляется на нагрев теплоносителя, определенная часть расходуется на собственные нужды котлоагрегата: турбина, вентилятор или дымосос, циркуляционный насос, работа автоматики и электронного дисплея, работа электропривода (как вы уже поняли, в расчете используются все виды получаемой энергии, в том числе и электроэнергия, если котел энергозависимый).

С учетом этого принято разделять эффективность котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и отпущенной теплоте (КПД-нетто).

Такая классификация позволяет выделить степень технического совершенства котла – КПД-брутто или экономичность расхода топлива и электроэнергии – КПД-нетто.

Как рассчитать КПД котла отопления

Рассчитать значения можно несколькими способами. В европейских странах расчет КПД котла отопления принято производить по температуре отходящих газов (метод прямого баланса), то есть зная разницу между температурой окружающей среды и реальной температурой отходящих через дымоход газов. Формула довольно проста:

ηбр = (Q1/Qir) 100%, где

• ηбр (читается «эта») – КПД котла «брутто»;
• Q1 (МДж/кг) – к-во тепла, которое удалось аккумулировать, т.е. использовать в целях обогрева дома.
• Qir(МДж/кг) – общее количество тепла, выделяемое при сжигании топлива;

Например, если Q1 = 19 МДж/кг, Qir = 22 МДж/кг, то КПД «брутто» = (19/22)*100 = 86,3%. Все замеры проводятся при уже установившемся, стандартном режиме работы котла.

Метод прямого баланса не учитывает теплопотери самого котлоагрегата, недожог топлива, отклонения в работе и прочие особенности, поэтому был придуман принципиально другой, более точный способ расчета – «метод обратного баланса». Используется уравнение:

ηбр = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), где

• q2 – потери тепла с уходящими газами;
• q3 – потери тепла вследствие химического недожога горючих газов (применимо к газовым котлам);
• q4 – потери тепловой энергии с механическим недожогом;
• q5 – теплопотери от наружного охлаждения (через тепплообменник и корпус);
• q6 – потери тепла с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки.

КПД «нетто» котла отопления согласно методу обратного баланса:

ηнетто = ηбр — Qс.н, где

• Qс.н – общий расход тепловой и электрической энергии на собственные нужды в % выражении.

Реальный КПД практически всегда будет отличаться от заявленного производителем, поскольку зависит от правильности монтажа котла и отопительной системы, системы дымоудаления, качества электроснабжения и т.д. Измеряется он, соответственно, уже на месте.

Установка радиаторов для получения максимального КПД

Радиаторы устанавливают на участках, где тепловые потери помещения наиболее значительные, например, рядом с окнами. Чтобы добиться максимального КПД, подоконник должен перекрывать около 2/3 верхней плоскости батареи и находиться от ее поверхности примерно в 10 см. Рекомендованное расстояние между радиатором и полом составляет 12 см. Заднюю поверхность батареи от стены должны отделять 2 см. Это создаст правильную естественную конвекцию, при которой некоторое количество тепла уходит на обогрев стены и блокировку теплопотерь помещения, а большая часть энергии направляется на обогрев.

Меры безопасности при повышении КПД

Еще 20-30 лет назад цена энергоносителей на постсоветском пространстве была невысокой, поэтому никто не уделял внимание такому параметру, как КПД. Ведь все могла решить производительность. Зато, когда газ начал расти в цене, а современные технологии были еще недоступны умельцы начали модернизировать газовые котлы, с целью повышения эффективности, доступными способами.

При выполнении любых работ с газовым оборудованием необходимо соблюдать меры безопасности и владеть специальными навыками и инструментов. А также не стоит использовать запрещенных законодательством способы повышения КПД

К примеру, прикрепляя к теплообменникам медные, алюминиевые пластины для улучшения теплопередачи. Уменьшали теплопотери элементов конструкции приборов отопления привариванием сторонних элементов. Менялась автоматика и теплообменники. В ход шли и другие подобные способы. КПД повышалось, а государство и газовая служба не реагировали на «творчество» умельцев.

Сейчас все иначе и профильные законы запрещают изменять конструкцию газовых котлов, которые должны быть сертифицированными, как и все их отдельные элементы. В результате повышать КПД с помощью замены механических, электрических и других компонентов отопительных приборов на сторонние нельзя.

За нарушение указанных требований может наступить:

• Административная ответственность. Если сотрудники горгаза выявят вмешательство в конструкцию котла, а при этом никаких происшествий не было, то придется выплатить штраф в размере 10-15 тыс. рублей. На это указывает статья 7.19 КоАП. В тяжелых случаях газовая служба вправе даже разорвать договор на обслуживание и прекратить поставки топлива.
• Уголовная ответственность. О чем свидетельствует Федеральный закон от № 229-ФЗ от 29.07.2018 «О внесении изменений в статью 215.3 УКРФ и статьи 150 и 151 Упк РФ». Эти нормы вступят в действие, если изменения конструкции привели к серьезным последствиям.

То есть рисковать жизнями людей, чтобы поднять эффективность котла на несколько процентов, не стоит.

От чего зависит тепловая эффективность котлоагрегатов

Принцип действия классического напольного газового атмосферника.
Коэффициент полезного действия отопительных котлов равен не при любой мощности, существует пропорциональная зависимость от нагрузки: увеличение тепловой нагрузки (к-ва сжигаемого топлива) увеличивает и теплопотери через корпус или дымоход. Так же точно эксплуатация на минимальной мощности не всегда обеспечивает полноценное сгорание топлива, что приводит к снижению КПД.

Например, в сервисной инструкции к газовым котлам Protherm Волк KSO мощностью 12,5 кВт и 16,0 кВт указано, что при работе на максимальной мощности (12,8 кВт и 16,3 кВт соответственно) КПД равен 92,5 %, в то время как при работе с минимальной нагрузкой (4,5 кВт и 5,8 кВт) – снизится и составит всего 78,4 %.

Это одна из основных причин, почему стоит осознанно подходить к выбору мощности котлоагрегата. Наиболее оптимальная работа в большинстве моделей достигается при нагрузке в диапазоне 60-90% от максимальной мощности.

В остальном коэффициент полезного действия зависит исключительно от технологического совершенства модели, направленного на снижение вышеописанных q2-6 (снижение температуры отходящих газов, эффективное сжигание топлива, модулируемые горелки, теплоизоляция и т.д.), а также от качества обслуживания и эксплуатации котлоагрегата. Чистота теплоносителя, регулярная чистка и промывка – все это со временем серьезно влияет на КПД.

Как выбрать комнатный термостат и экономить до 30% в месяц на отоплении

Каким должен быть энергоэффективный котел

Указанные в документах характеристики и богатый практический опыт показывают, что импортные котлы обладают наиболее высоким КПД. Европейские производители уделяют особое внимание применению энергосберегающих технологий, что позволяет получать максимальную отдачу от оборудования. Составим «портрет» идеального газового котла:

• модуляционная горелка – автоматически подстраиваются под режим работы системы, минимизируя процент недожога;
• нагрев теплоносителя не более 70 градусов, отводимых газов – до 110 градусов, что обеспечивает оптимальный баланс КПД, желательно наличие конденсационного теплообменника;
• коаксиальный дымоход – закрытая камера сгорания требует от оборудования канала для отвода продуктов сгорания типа «труба в трубе», что позволяет подогревать поток воздуха с улицы;
• система рециркуляции – позволяет использовать тепло отработанных газов для обогрева помещения.

Конечно, такого идеального котла не существует, но список лучших технических решений поможет выбрать достойную модель.

Значения современных котлов в зависимости от вида топлива

*С точки зрения физики КПД не может превышать 100%: больше тепловой энергии, чем выделяется при сжигании топлива получить невозможно. Однако все зависит от того, как считать. Есть два определения:

• низшая теплота сгорания – тепло, полученное при сгорании топлива, когда продукты сгорания просто удаляются через дымоход;
• высшая теплота сгорания – теплота с учетом в том числе и энергии, содержащиеся в водяном паре – одном из продуктов сгорания горючих газов.

Газовые конденсационные котлы дополнительно аккумулируют и тепловую энергию конденсата, образующегося из продуктов сгорания газа и оседающего на дополнительном теплообменнике. Таким образом, существенная часть тепла не «вылетает в трубу», а температура отходящих газов практически равна атмосферной.

Устройство простого конденсационного одноконтурного газового котла.

Согласно действующим нормам, как в России, так и в Европе, КПД отопительных котлов рассчитывается по низшей удельной теплоте сгорания, поэтому учет дополнительного тепла, извлекаемого из конденсата, приводит к значениям более 100%. При расчете по высшей теплоте сгорания КПД конденсационных газовых котлов равен 96-98% в зависимости от модели и типа монтажа: у настенных котлов КПД обычно выше, чем у напольных (это относится ко всем газовым котлоагрегатам).

Также из таблицы можно заметить, что средний КПД твердотопливных котлов также отличается в зависимости от используемого топлива, связанно это со степень сжигания топлива, его теплоотдачей, температурой горения и теплопотерями с физическим теплом шлаков, удаляемых из топочной камеры. Даже один и тот же твердотопливный котел может выдавать разный КПД при работе на разных видах топлива.

Устройство основных узлов конденсационного котла

С конструкционной точки зрения конденсационный котёл не сильно, но всё же отличается от обычного газового.

Его основными элементами являются:

• камера сгорания, оснащённая горелкой, системой подачи топлива и вентилятором для нагнетания воздуха;

• первичный теплообменник;

• камера доохлаждения парогазовой смеси до температуры, максимально приближенной к 56-57°C;

• теплообменник №2 (конденсационный теплообменник);

• резервуар для сбора конденсата;

• дымоход для отведения холодных дымовых газов;

• насос, обеспечивающий циркуляцию воды в системе.

В первичном теплообменнике, сопряжённом с камере сгорания, выделяющиеся газы охлаждаются до температуры, существенно превышающей точку росы (собственно, так и выглядят обычные конвекционные газовые котлы). Затем дымовая смесь принудительно направляется к конденсационному теплообменнику, где происходит её доохлаждение до температуры ниже точки росы, то ест 56°C. При этом водяной пар конденсируется на стенках теплообменника, отдавая последнюю свою энергию. Конденсат собирается в специальном резервуаре, откуда по отводящей трубе стекает в канализацию.

Вода, выполняющая роль теплоносителя, движется в направлении, противоположном движению парогазовой смеси. Холодная вода (обратная жидкость системы отопления) предварительно подогревается в конденсационном теплообменнике. Затем она поступает в первичный теплообменник, где нагревается до более высокой температуры, заданной пользователем.

Конденсат – это не чистая вода, а смесь разбавленных неорганических кислот. Их концентрация невелика, но с учётом того, что температура в системе всегда повышенная, конденсат можно считать агрессивной жидкостью. Именно поэтому при производстве подобных котлов (и в первую очередь соответствующих теплообменников) используют кислотостойкие материалы – нержавеющую сталь или силумин (алюминиево-кремниевый сплав). Теплообменник, как правило, делают литым, поскольку сварные швы являются уязвимым местом – именно там в первую очередь начинается процесс коррозионного разрушения материала.

Конденсироваться пар должен именно на конденсационном теплообменнике. Всё, что прошло дальше, в дымоход, с одной стороны, потеряно для отопления, с другой – разрушающе действует на материал дымохода. Именно в силу последней причины дымоход изготавливают из кислотостойкой нержавеющей стали или пластика, а горизонтальным его участкам придают небольшой уклон, чтобы вода, образовавшаяся при конденсации незначительных количеств пара, всё же попавших в дымоход, сливалась обратно в котёл. Дымовые газы, выходящие из конденсатника, сильно охлаждены, и всё, что не сконденсировалось в котле, обязательно сделает это в дымоходе.

В разное время суток от отопительного котла требуется различное количество тепла, регулировать которое можно с помощью горелки. Она у конденсационного котла может быть либо модулируемой – с возможностью плавного изменения мощности в процессе работы, либо немоделируемой – с фиксированной мощностью. В последнем случае котёл подстраивается под требования своего владельца, который может включать горелку с различной частотой. На большинстве современных котлов, предназначенных для отопления частных домов, устанавливают моделируемые горелки.

Основные «плюсы» конденсационного котла

Перечень достоинств конденсационного котла внушителен, что в конечном счёте и объясняет растущую популярность этого вида отопительного оборудования:

• Экономия топлива по сравнению с обычным конвекционным котлом может достигать 35%;

• Сокращение вредных выбросов при переходе от традиционных газовых моделей к конденсационным оценивается в среднем в 70%;

• Низкая температура отходящих газов даёт возможность устанавливать пластиковые дымоходы, которые значительно дешевле, чем классические стальные;

• Низкий уровень шума не создаёт дискомфорта для проживающих в доме людей.

Отзывы покупателей на товары категории Конденсационные котлы

анонимный отзыв

(отзыв получен с Яндекс.Маркета) Отзыв на: CLAS EVO SYSTEM 28 FF
Достоинства: Отличный одноконтурный котел, с трехходовым краном.Расход на дом 180 квадрат в месяц довольно добрый 500 кубов газа, при максимальной температуре 50-60 грудусов, плюс боллер косвенник. Дом термос(каркасник). На улице от +5 до -12 Чаще + чем минус.

Недостатки: К котлу претензий нет, свое он делает

Комментарий: Мастер установщик вообще не понимал что он делает, итог 3 раза переделывали обвязку боллера косвенного нагрева, после чего он стал нагреваться быстро и эффективно. Все написано в книжке к котлу, но русский Ваня читать не умеет, и иструкцию берет в последнюю очередь)))

Милованов Евгений

(отзыв получен с Яндекс.Маркета) Отзыв на: GENUS PREMIUM EVO 24
Достоинства: Низкое потребление газа, лёгкий монтаж, простой в обращении

Недостатки:

Комментарий: Перезимовал первую зиму с этим котлом. Дом 170кв.м с тёплыми полами и электроникой, за весь отопительный сезон потребление газа составило 2700 м.куб за 6 месяцев. В доме было тепло и комфортно. Я очень доволен работой данного котла. Нареканий нет, качество сборки хорошее. Советую брать, если есть возможность

Чабан Владимир

(отзыв получен с Яндекс.Маркета) Отзыв на: GENUS PREMIUM EVO SYSTEM 24
Достоинства: Отличный котёл. безотказный, Прекрасно переваривает скачки напряжения в СНТ. По электрической части никаких нареканий, по технической тоже.

Недостатки: Не бесшумный. ночью в абсолютной тишине в деревянном доме на втором этаже слышно что включился в туалете на первом. Наличие бестолковой функции электронной подпитки. так как сам не подпитывается а просит нажать кнопочку — Я могу и сам краник открыть если что, а вот когда после заморозки системы у меня стала вода из батарей в ГВС через попитку подтравливать — пришлось заглушить.

Комментарий: У меня Ariston GENUS PREMIUM 24. Вроде одна и та же штука. В эксплуатации 5 лет. Эксплуатирую на пропан-бутане, переводил сам при помощи жиклёра (Такая блямба в трубку подачи газа вставляется) и регулировал при помощи отвёрточки TORX(Самая весёлая часть, так как регулировка по гидроуровню результатов не дала, и оказалось проще его завести на слух.). В первые пол года эксплуатации у меня сгорел Стаб от скачка напряжения, который я поставил начитавшись страшилок про дохнущие материнки (Кстати, у знакомого у Боша плата реально 2 раза горела ), и в дальнейшем Котел питался от простой розетки с пониженым напряжением, нереальными скачками и прочими плюшками жизни в СНТ — По электрической части жив и здоров. Пережил 3 заморозки (газ кончался) во время одной из них порвало вводной блок, хотя все сливные отверстия были открыты (Внутри есть два пластиковых блока, в которые подключаются все трубы, теплообменник, насос, расширительный бак, и прочее) Там есть клапан подпитки и в нём остаётся вода, даже если всё слить по правилам. Если хочется слить и заморозить, нужно обязательно его выкрутить и продуть.После самостоятельной замены блока через систему подпитки просачивается вода из Отопления в Гвс — пришлось канал внутри блока заглушить (Заказывать абсолютно бесполезный клапан подпитки посчитал бессмысленным) . Сейчас в родительский дом собираюсь брать такую же модельку.

Геннадий

(отзыв получен на нашем сайте) Отзыв на: LUNA Duo-tec+ 1.24
Достоинства: отличная работа.

Недостатки: пока не выявлены.

Комментарий: Заказывал газовый котел. Получил через транспортную компанию. Спасибо! коллективу оперативно работают.

Как увеличить КПД газового котла

Повысить эффективность сжигания топлива вмешательством в техническое устройство котла практически невозможно, тот же слой теплоизоляции установить не получится в виду банальной непредусмотренности производителем места под него. Кроме того, делать это своими руками запрещено. Тем не менее есть способы увеличить КПД газового котла, особенно, если это несовершенная модель старого образца:

1. Готовый экономайзер для дымохода – заменяет определенный отрезок дымохода и предназначен для аккумуляции тепла отходящих через дымоход газов (некая имитация конденсационных котлов). Однако нужно точно посчитать параметры экономайзера и требования к дымоходу, чтобы сохранить необходимую тягу и предотвратить обратную тягу, например, при сильном ветре. Цена вопроса – 1 700-2 500 руб.

   
   Сэндвич-сетка экономайзер для трубы дымохода.

2. Самодельный экономайзер – практически идентичный с вышеописанными готовыми изделиями. Как сделать эффективный экономайзер мы уже описывали в одной из предыдущих статей.
3. Чистка котла и промывка теплообменника – это регулярные меры обслуживания, бессмысленные для новых котлоагрегатов, но крайне эффективные для эксплуатируемых хотя бы несколько сезонов. Дело в том, что во время эксплуатации внутри теплообменника образуются накипь и прочие солевые отложения, забиваются внешние ребра теплообменника, горелки и запальник. Все это приводит к увеличению расхода газа, снижению теплопроизводительности, соответственно, снижению КПД (часто до 20-30%). Как и насколько часто необходимо чистить газовый котел мы также уже разбирали ранее.
4. Газовый фильтр – устанавливается он перед запорной арматурой газовой магистрали и предназначен для очистки газа от мусора и примесей, иногда встречающихся в составе. Это не только способствует снижению сажеобразования, но и, повышая качество топлива, незначительно снижает теплопотери при недожоге.

Остальные же методы заключаются в правильных пуско-наладочных работах, которые проводятся единожды, при первом запуске котла, исключительно специалистами. При правильной изначальной настройке обеспечивается КПД, гарантируемый производителем. Важно понимать, что повысить этот показатель вмешательством в техническое устройство самого котла невозможно, и уж тем более – не безопасно.

ИнструкцииКотлыЭнергосберегающие технологии