Конденсационные котлы — это водонагреватели, которые обычно используются для систем отопления, работающих на газе или масле. При эксплуатации в правильных условиях система отопления может достигать высокой эффективности (более 90% по высшей теплотворной способности ) путем конденсации водяного пара, содержащегося в выхлопных газах, в теплообменнике для предварительного нагрева циркулирующей воды. Это позволяет извлечь скрытую теплоту испарения , которая в противном случае была бы потрачена впустую. Конденсат отправляется в канализацию. Во многих странах использование конденсационных котлов является обязательным или поощряется финансовыми стимулами.
Для правильной работы процесса конденсации температура возврата циркулирующей воды должна быть около 55 °C (131 °F) или ниже, поэтому конденсационные котлы часто работают при более низких температурах, около 70 °C (158 °F) или ниже, что может потребовать более крупных труб и радиаторов, чем для неконденсационных котлов. Тем не менее, даже частичная конденсация более эффективна, чем традиционный неконденсационный котел.
В обычном котле топливо сжигается, а образующиеся горячие газы проходят через теплообменник, где большая часть их тепла передается воде, тем самым повышая ее температуру.
Одним из горячих газов, образующихся в процессе сгорания, является водяной пар (пар), который возникает при сжигании содержащегося в топливе водорода. Конденсационный котел извлекает дополнительное тепло из отработанных газов, конденсируя этот водяной пар в жидкую воду, тем самым восстанавливая его скрытую теплоту испарения. Типичное увеличение эффективности может достигать 10-12%. [ необходима цитата ] Хотя эффективность процесса конденсации варьируется в зависимости от температуры воды, возвращающейся в котел, она всегда по крайней мере так же эффективна, как и неконденсационный котел.
Образующийся конденсат имеет слегка кислую реакцию (3-5 pH), поэтому в зонах, где присутствует жидкость, необходимо использовать подходящие материалы. При высоких температурах чаще всего используются алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь. В зонах с низкими температурами наиболее экономически эффективны пластики (например, uPVC и полипропилен ). [1] Для производства конденсата также требуется установка системы отвода конденсата теплообменника. В типичной установке это единственное различие между конденсационным и неконденсационным котлом.
Для экономичного производства теплообменника конденсационного котла (и для того, чтобы прибор был управляемым при установке), предпочтителен наименьший практический размер для его выхода. Этот подход привел к теплообменникам с высоким сопротивлением стороны сгорания, часто требующим использования вентилятора сгорания для перемещения продуктов через узкие проходы. Это также имело преимущество в обеспечении энергией дымоходной системы, поскольку выбрасываемые газы сгорания обычно имеют температуру ниже 100 °C (212 °F) и, как таковые, имеют плотность, близкую к плотности воздуха, с небольшой плавучестью. Вентилятор сгорания помогает выкачивать отработанные газы наружу.
Конденсационные котлы в настоящее время в значительной степени заменяют более ранние, традиционные конструкции в системах центрального отопления жилых домов в Европе и, в меньшей степени, в Северной Америке . Нидерланды были первой страной, которая широко их приняла. [2]
Производители конденсационных котлов утверждают, что можно достичь тепловой эффективности до 98% [3] по сравнению с 70%-80% при использовании обычных конструкций (на основе более высокой теплотворной способности топлива). Типичные модели обеспечивают эффективность около 90%, что выводит большинство марок конденсационных газовых котлов в самые высокие доступные категории по энергоэффективности. [ необходима цитата ] В Великобритании это рейтинг эффективности SEDBUK (сезонная эффективность бытовых котлов в Великобритании) [4] Band A, в то время как в Северной Америке они обычно получают логотип Eco и/или сертификацию Energy Star .
Производительность котла основана на эффективности теплопередачи и сильно зависит от размера/мощности котла и размера/мощности излучателя. Проектирование и монтаж системы имеют решающее значение. Соответствие излучения выходу котла Btu/Hr и учет проектных температур излучателя/радиатора определяют общую эффективность системы отопления помещений и бытовых водонагревателей .
Одной из причин снижения эффективности является то, что конструкция и/или реализация системы отопления обеспечивает температуру обратной воды (теплоносителя) в котле более 55 °C (131 °F), что предотвращает значительную конденсацию в теплообменнике. [5] Можно ожидать, что лучшее обучение как установщиков, так и владельцев повысит эффективность до указанных лабораторных значений. Natural Resources Canada [6] также предлагает способы более эффективного использования этих котлов, такие как объединение систем отопления помещений и отопления водой. Некоторые котлы (например, Potterton) можно переключать между двумя температурами потока, такими как 63 °C (145 °F) и 84 °C (183 °F), только первый из которых является «полностью конденсирующимся». Однако котлы обычно устанавливаются с более высокой температурой потока по умолчанию, поскольку бак горячей воды для бытового потребления обычно нагревается до 60 °C (140 °F), а для достижения этого требуется слишком много времени при температуре потока всего на три градуса выше. Тем не менее, даже частичная конденсация более эффективна, чем традиционный котел.
Большинство неконденсационных котлов можно заставить конденсироваться с помощью простых изменений управления. Это значительно сократит расход топлива, но быстро разрушит любые компоненты из мягкой стали или чугуна обычного высокотемпературного котла из-за коррозионной природы конденсата. По этой причине большинство теплообменников конденсационных котлов изготавливаются из нержавеющей стали или алюминиево-кремниевого сплава. Внешние экономайзеры из нержавеющей стали могут быть модернизированы для неконденсационных котлов, чтобы позволить им достичь эффективности конденсации. Клапаны регулирования температуры используются для смешивания горячей воды подачи с возвратом, чтобы избежать теплового удара или конденсации внутри котла.
Чем ниже температура возврата в котел, тем больше вероятность, что он будет работать в режиме конденсации. Если температура возврата поддерживается ниже примерно 55 °C (131 °F), котел все равно будет работать в режиме конденсации, что делает низкотемпературные применения, такие как теплые полы и даже старые чугунные радиаторы, подходящими для этой технологии.
Большинство производителей новых бытовых конденсационных котлов выпускают базовую систему управления "fit all", которая приводит к тому, что котел работает в конденсационном режиме только при начальном нагреве, после чего эффективность падает. Такой подход все равно должен превосходить подход старых моделей (см. следующие три документа, опубликованные Building Research Establishment: Information Papers 10-88 и 19-94; General Information Leaflet 74; Digest 339. См. также Application Manual AM3 1989: Condensing Boilers by Chartered Institution of Building Services Engineers ). В качестве контраста системы компенсации погодных условий предназначены для регулировки системы на основе внутренней, внешней, входной и выходной температур котла.
Тепловые насосы обычно в три раза эффективнее конденсационных котлов (исходя из фактического потребления энергии). [7]
Управление бытовым конденсационным котлом имеет решающее значение для обеспечения его работы наиболее экономичным и топливоэффективным способом. Горелки обычно управляются встроенной системой со встроенной логикой для управления выходом горелки в соответствии с нагрузкой и обеспечения наилучшей производительности.
Почти все имеют модулирующие горелки. Они позволяют снижать мощность в соответствии с потребностью. Котлы имеют коэффициент регулировки , который представляет собой отношение максимальной выходной мощности к минимальной выходной мощности, при которой может поддерживаться горение. Если система управления определяет, что потребность падает ниже минимальной выходной мощности, то котел будет отключаться до тех пор, пока температура воды не упадет, а затем снова загорится и нагреет воду.
Утверждается, что конденсационные котлы имеют репутацию менее надежных и могут также выйти из строя, если с ними работают монтажники и сантехники , которые могут не понимать их принцип работы. [8] Утверждения о ненадежности были опровергнуты исследованием, проведенным британским Институтом исследований в области строительства (см. Институт исследований в области строительства).
В частности, проблема «шлейфа» возникла с ранними установками конденсационных котлов, в которых белый шлейф конденсированного пара (в виде мельчайших капель) становился видимым на выходе дымохода. Хотя это не имело значения для работы котла, видимое шлейфование было эстетической проблемой, которая вызывала сильное сопротивление конденсационным котлам.
Более существенной проблемой является небольшая (pH 3-4) кислотность конденсатной жидкости. Когда она находится в прямом контакте с теплообменником котла, особенно для тонкого алюминиевого листа, это может привести к более быстрой коррозии, чем для традиционных неконденсационных котлов. В старых котлах также могли использоваться толстые литые теплообменники, а не листовые, которые имели более медленные постоянные времени для своего реагирования, но также были устойчивы, благодаря своей чистой массе, к любой коррозии. Кислотность конденсата означает, что можно использовать только некоторые материалы: нержавеющая сталь и алюминий подходят, мягкая сталь, медь или чугун - нет. [9] Плохие стандарты проектирования или строительства могли сделать теплообменники некоторых ранних конденсационных котлов менее долговечными.
Настоятельно рекомендуется проводить начальные испытания и ежегодный мониторинг теплоносителя в конденсационных котлах с алюминиевыми или нержавеющими теплообменниками. Поддержание слабощелочной ( pH 8–9) жидкости с антикоррозионными и буферными агентами снижает коррозию алюминиевого теплообменника. Некоторые специалисты считают, что конденсат, образующийся на стороне сгорания теплообменника, может разъедать алюминиевый теплообменник и сокращать срок службы котла. Статистические данные пока отсутствуют, поскольку конденсационные котлы с алюминиевыми теплообменниками не эксплуатируются достаточно долго. [ необходима цитата ]
Building Research Establishment , который является основным исследовательским органом Великобритании в строительной отрасли, выпустил брошюру о бытовых конденсационных котлах. Согласно Building Research Establishment:
Конденсат, выбрасываемый из конденсационного котла, является кислым , с pH от 3 до 4. Конденсационные котлы требуют дренажной трубы для конденсата, вырабатываемого во время работы. Она состоит из короткой полимерной трубы с паровой ловушкой для предотвращения выброса выхлопных газов в здание. Кислотная природа конденсата может вызывать коррозию чугунной сантехники, канализационных труб и бетонных полов, но не представляет опасности для здоровья жильцов. Нейтрализатор, обычно состоящий из пластикового контейнера, заполненного мраморным или известняковым заполнителем или «щебнем» (щелочь), может быть установлен для повышения pH до приемлемого уровня. Если гравитационный слив отсутствует, то необходимо также установить небольшой насос для конденсата, чтобы поднять его до надлежащего стока.
Первичный и вторичный теплообменники изготовлены из материалов, которые выдерживают эту кислотность, обычно из алюминия или нержавеющей стали. Поскольку конечный выхлоп из конденсационного котла имеет более низкую температуру, чем выхлоп из атмосферного котла 38 °C (100 °F) по сравнению с 204 °C (400 °F), для его вытеснения всегда требуется механический вентилятор, что дает дополнительное преимущество, позволяя использовать низкотемпературный выхлопной трубопровод (обычно из ПВХ в бытовых применениях) без изоляции или обычных требований к дымоходу. Действительно, использование обычного кирпичного дымохода или металлического дымохода специально запрещено из-за коррозионной природы продуктов дымохода, за исключением специально сертифицированной нержавеющей стали и алюминия в некоторых моделях. Предпочтительным/распространенным материалом для вентиляционных отверстий для большинства конденсационных котлов, доступных в Северной Америке, является ПВХ, за которым следуют АБС и ХПВХ. Полимерная вентиляция обеспечивает дополнительное преимущество гибкости места установки, включая вентиляцию боковой стенки, что позволяет избежать ненужных проходов через крышу.
Конденсационные котлы на 50% дороже в покупке и установке, чем обычные типы в Великобритании и США. Однако по состоянию на 2006 год [обновлять]в ценах Великобритании дополнительные затраты на установку конденсационного вместо обычного котла должны были окупиться примерно за два-пять лет за счет меньшего расхода топлива (для проверки см. следующие три документа, опубликованные Building Research Establishment: Information Papers 10-88 и 19-94; General Information Leaflet 74; Digest 339; см. также Case studies в Application Manual AM3 1989: Condensing Boilers by Chartered Institution of Building Services Engineers), и два-пять лет [ требуется ссылка ] в ценах США. Точные цифры будут зависеть от эффективности первоначальной установки котла, моделей использования котла, затрат, связанных с установкой нового котла, и того, как часто используется система. Стоимость этих котлов снижается, поскольку вступает в силу политика массового потребления, введенная правительством, и производители отзывают старые, менее эффективные модели, но себестоимость производства выше, чем у старых типов, поскольку конденсационные котлы более сложны.
Повышенная сложность конденсационных котлов заключается в следующем:
Что касается современных котлов, то других различий между конденсационными и неконденсационными котлами нет.
Надежность, а также первоначальная стоимость и эффективность влияют на общую стоимость владения. Одна крупная независимая британская фирма сантехников заявила в 2005 году, что она сделала тысячи вызовов для ремонта конденсационных котлов, и что выбросы парниковых газов от ее фургонов, вероятно, были больше, чем экономия, полученная за счет перехода на экологически чистые котлы. [8] Однако в той же статье указывается, что Совет по информации о отоплении и горячем водоснабжении совместно с некоторыми установщиками обнаружили, что современные конденсационные котлы так же надежны, как и стандартные котлы.
Поэтапный отказ от котлов на ископаемом топливе представляет собой набор политик по прекращению использования ископаемого газа (или «природного газа») и других видов ископаемого топлива для отопления зданий и использования в бытовых приборах. Обычно газ используется для нагрева воды, душа или центрального отопления. Во многих странах газовое отопление является одним из основных источников выбросов парниковых газов и ущерба климату , что приводит к тому, что все больше стран вводят запреты. Воздушные тепловые насосы являются основной альтернативой. [11]
Международное энергетическое агентство заявило, что новые газовые котлы (или газовые печи ) должны быть запрещены не позднее 2025 года. [12] Многие установки и приборы имеют срок службы 25 лет, что привело к призывам ввести запрет немедленно или, по крайней мере, к 2025 году, поскольку в противном случае цели по достижению нулевого уровня выбросов к 2050 году не могут быть достигнуты или вряд ли будут достигнуты. [13] Однако лоббисты ископаемого топлива сопротивляются поэтапному отказу. [14]
