Кондензационни котли

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2009

Ефектът от използване на кондензационен котел следва да се оценява комплексно

 

  Кондензационната технология е известна от десетилетия и e добре позната на специалистите по отоплителна техника. Масовото й прилагане, обаче, започва с разработването на кондензационните котли, които се използват все по-широко, включително и у нас. Според масовите представи, ефективността им надвишава 100%, работят на газ, икономични са, предлага се богата гама от модели на различни производители и с различна мощност. Макар че кондензационните котли се използват предимно в битовия сектор, могат да се намерят и модели мощни кондензационни котли, подходящи за индустриални приложения. Пазарното предлагане покрива най-вече мощностния диапазон от 4 до 1000 kW.
Кондензационната технология е с извоювано реноме сред техническите решения за повишаване на енергийната ефективност на отоплителни инсталации. Актуалността й, както и някои широко разпространени заблуди, свързани с използването на кондензационни котли, бяха сред причините да се обърнем за коментар към доц. д-р инж. Ивайло Банов, председател на националната професионална секция "Отопление, вентилация, климатизация, хладилна и сушилна техника, топлоснабдяване и газоснабдяване" към Камарата на инженерите в инвестиционното проектиране (КИИП) и ръководител на катедра "Топлинна и хладилна техника" към ТУ - София. Сред разгледаните в статията въпроси са приложимостта на кондензационните котли в бита и индустрията, целесъобразността на инвестицията в кондензационен котел, както и, разбира се, доколко декларираните стойности за ефективност на кондензационните котли са точни и коректни от техническа гледна точка.

Еднозначни ли са характеристиките ефективност и КПД?
Високата ефективност на кондензационните котли е не само тяхно основно предимство, но и повод за сериозни дискусии. Твърдението на редица производители и търговци за ефективност над 100% не се приема от редица специалисти. Затова се обърнахме към доц. Банов с въпроса: “Какви са реалните стойности, до които достига ефективността на един кондензационен котел? “Бих искал да направя уточнението, че терминът КПД - коефициент на полезно действие, намира масово приложение в практиката, но не е коректен по отношение на кондензационните котли. За КПД е коректно да се говори тогава, когато енергията се преобразува в работа. Тъй като в конкретния случай работа не се извършва, считам, че е по-правилно да се използва терминът ефективност”, коментира доц. Банов. “В процеса на горене изгаря горивото (окислява се), при което се отделя енергия под формата на топлина. На всеки инженер е добре известно, че ако се използва цялото количество отделена енергия, ефективността ще е равна на 1. Ефективност над 100% означава да се използва повече енергия от произведената, което, смятам, всеки колега ще се съгласи, че е физически невъзможно”, допълва той, като отбелязва, че в случая с ефективност 108 и дори 109% е по-скоро въпрос на тълкуване, на отправна точка и, в известна степен, на търговски подход.

Роля на топлината на изгаряне на горивото
Посочваната от някои производители ефективност на кондензационните котли е около 106 - 109%. Постигането на посочените стойности обикновено се обосновава с факта, че конструкцията на кондензационния котел позволява оползотворяване на съдържащата се в димните газове топлинна енергия. Основен момент за постигането на ефективност, по-висока от 100%, е определяне на топлината на изгаряне, която се дефинира като количеството топлина, отделяно при изгаряне на 1 kg твърдо или течно гориво и на 1 m3 газообразно гориво. От своя страна, топлината на изгаряне се разделя на горна и долна. Долната топлина на изгаряне представлява топлината, която се отделя при изгаряне на единица гориво, без да се включва топлината на преобразуване на водната пара, получена от изгаряне на водорода и от влагата на горивото.
“В техниката се работи с долната топлина на изгаряне”, коментира доц. Банов. “В процеса на окисление на горивото, като отпадни продукти от горенето се отделят предимно водна пара и димни газове, както и малка част други газове. При окислението на газообразното гориво, което основно е съставено от метан (около 98%), се отделя огромно количество водна пара. Знае се, че при изгарянето на 1 нормален куб. метър природен газ се отделя около 2 куб. метра водна пара. А за да се образува тази пара, е необходима енергия”, допълни той.
Реални стойности на коефициента на ефективност
Горната топлина на изгаряне се определя от количеството топлина, която се получава при изгаряне на единица гориво, като към нея се прибави топлината, която се освобождава при кондензацията на водните пари, съдържащи се в продуктите на горене. “Противоположен на процеса на изпарение е процесът на кондензация. Енергията, необходима за процеса на парообразуване, се освобождава, когато започне да се понижава температурата. В конкретния случай става въпрос за температурата на димните газове. При понижаването й под определена стойност започва и образуването на конденз. Именно, в зависимост от отчитането или не на тази енергия се получават горната и долната топлина на изгаряне”, пояснява доц. Банов. “В техниката, както вече споменах, се работи с долната топлина на изгаряне, при която не се взима предвид енергията, която се получава при кондензацията на водните пари. Естествено, тази енергия е по-малка. Спрямо нея съответно се изчислява КПД или коефициент на ефективност. Обикновено в каталозите на производителите се посочват именно тези стойности. Съответно при котлите на течно гориво, КПД е от порядъка на 93 - 95%, за при газовите котли е около 95 - 98%”, допълва той. Факт е, че част от енергията не може да се оползотвори, тъй като тя се изхвърля в атмосферата. “При котлите на течно гориво неоползотворената енергия е около 5 - 6%, при съоръженията на газ тя е около 2 - 3 %”, заявява доц. Банов.

Оползотворяване температурата на димните газове
Една от основните предпоставки за постигане на висока ефективност при кондензационните котли е ниската температура на изходящите димни газове. “Ако температурата на димните газове, която при обикновените котли е от порядъка на 100 - 120 оС, се понижи, то ще се оползотвори съдържащата се в тях топлина. На практика това означава, че охлаждането на димните газове е за сметка на загряването на вода, която би могла да се използва за битови или за отоплителни нужди, както и в даден технологичен процес”, посочва Ивайло Банов, като допълва: “При понижаване на температурата на димните газове на практика се оползотворява тяхната енергия. Ако те се охладят до температурата на околната среда, използваната част от енергията, която се освобождава в процеса на окисление, е 100%. По ред причини, обаче, температурата на околната среда не може да бъде достигната”.

Температура на кондензация
Под температура на кондензация или на насищане на водната пара се разбира тази стойност, при която водните пари, съдържащи се в продуктите на изгаряне, се превръщат в наситени и започват да кондензират. Температурата на кондензация или на насищане на водната пара в димните газове при газообразно гориво, в зависимост от т.нар. коефициент на излишък на въздух, се движи в границите между 50-60 оС.
“Ако температурата на димните газове се понижи под тези стойности, започва процес на кондензация на водните пари в димните газове, при което ще се отдели вода. При фазовия преход от водна пара към вода се освобождава енергия. Тя е равна на енергията, която е била необходима на водата от течно състояние да се изпари”, коментира доц. д-р инж. Ивайло Банов, допълвайки: “Именно това е енергията, която е допълнителна на характерната за котлите без кондензационна камера”.

Ефективност над 100% е илюзия
В техниката е известно, че намаляването на температурата с приблизително 10 оС води до повишаване на ефективността на котела като съоръжение с 1%. Фактът се дължи на по-доброто използване на потенциала (енергията) на димните газове. Логиката на твърдението за постигането на ефективност от 108% доц. Банов обясни: “При охлаждане на димните газове от 100 до 50 или до 60 оС, с цел започване на процес на кондензация, се получава температурна разлика от 40 оС. Следвайки посоченото правило, а именно повишаване на ефективността с 1% на всеки 10 оС, би следвало общото повишение да е с 4%. Ако приемем, че първоначалната ефективност на котела е 98%, то прибавяйки тези 4% се получава стойност 102%. Допълнително в процеса на кондензация на водната пара в димните газове се отделя енергия, която също се оползотворява. Така ефективността се повишава с още 2-3%, достигайки стойности от порядъка на 106 - 109 %”. Следвайки тези разсъждения, съвсем логично фирмите, предлагащи кондензационни котли, обявяват, че предлаганите от тях котли са с ефективност или КПД от порядъка на 106 - 109%”. Според г-н Банов, в конкретния случай описаната логика е спорна. В отговор той заяви: “Цитираните 98%, към които се прибавят допълнителните проценти, са определени при т.нар. долна топлина на изгаряне. Нищо в природата не се създава, нито се унищожава, а просто се преобразува от един вид в друг. Възможно ли е от единица енергия да се получи повече от единица като енергия? Естествено, че не е възможно. В случая всичко зависи от отправната точка”. Доц. Банов потвърди, че сравнени с традиционните газови котли, кондензационните котли, работещи с газ, безусловно постигат по-висока ефективност. Сравнението е на база котли, работещи на газ, тъй като кондензационни котли с течно гориво намират твърде ограничено приложение.

Защо подобна ефективност не е постижима?
Повечето котли, предназначени за битовия сектор, разчитат на т. нар. гравитационна сила, която преодолява аеродинамичното съпротивление на съоръжението. Конструкцията на един котел включва: пещна камера, топлообменници, комин и т.н. При движението си димните газове изпитват различни съпротивления, вследствие от триенето им по стените на котли и в топлообменните апарати. Също така те изпитват и местни съпротивления вследствие от изменението в посоката или скоростта на движение на отделни части и др. За да могат димните газове да напуснат пещната камера и да бъдат отведени в атмосферата, цитираните съпротивления трябва да бъдат преодолени. За тази цел е необходима сила, която представлява т.нар. гравитационен напор.
Става въпрос за сила, основаваща се на факта, че разликата в температурата на работната среда поражда разлика в плътностите. Затова и по-горещата работна среда, която е с по-малка плътност, се стреми да се издигне към горните слоеве на системата, а средата с по-ниска температура и по-висока плътност пада по-ниско. “Именно тази разлика в плътностите се явява движещата сила, благодарение на която димните газове напускат котела и биват изхвърлени в атмосферата. Тъй като при кондензационните котли основно се цели охлаждане на димните газове до температурата на околната среда, следователно няма да има разлика в плътностите”, коментира Ивайло Банов, допълвайки, че това налага използването на вентилатор, който принудително да накара димните газове да напуснат котела. “Този вентилатор консумира електрическа енергия. Следователно котелът ще има висока ефективност на горивния процес, но общата му ефективност като съоръжение ще се понижи, поради наличието на елемент, консумиращ електрическа енергия.

Температурата на димните газове не може да се понижава безкрайно
В отговор на въпроса до каква температура е целесъобразно да се охладят димните газове, доц. Банов подчертава необходимостта от извършване на технико-икономическа обосновка, която да даде отговор на този въпрос. “Охлаждането на димните газове до ниска температура означава, че и топлоносителят, с който те ще се охлаждат, ще има ниска температура. А това го прави неподходящ за битови нужди или за отопление. Стремежът е да се осигури топлоносител, който постъпва в отоплителната инсталация в изчислителен режим от 70/90 оС. Това означава, че котелът ще произвежда топлоносител със средна температура 80 оС, 70 оС на входа и 90 оС на изхода му. Димните газове са с температура 100-120 оС, което осигурява температурна разлика, необходима за осъществяване на този топлообмен. При кондензационните котли температурата на димните газове пада до 40 - 50 оС. А това означава промяна на температурния режим на използвания топлоносител”, коментира той, като посочва, че използването на топлоносител с такъв температурен режим в една отоплителна инсталация не е невъзможно. Причината е, че вследствие на понижението на повърхностната температура на отоплителното тяло е необходимо да се използват тела с много голяма нагревна повърхност. “Това води до увеличаване на броя на елементите на един радиатор, при глидерните радиатори. Съответно, при панелните радиатори се получават отоплителни тела с огромна нагревна повърхност”, подчерта доц. Банов. Като възможен вариант за използване на топлоносител с толкова ниска температура, той посочи подовото лъчисто отопление.
“В кондензаторната си част кондензационните котли разполагат с още един топлообменник, предназначен допълнително да охлажда димните газове. Ако в този топлообменник се подаде вода от водопровода с температура 10 оС, то тя ще се загрее до температурата на кондензация (приблизително 50 оС). Топла вода с температура до 50 оС, в съответствие с изискванията на нормативната база, е подходяща за битово горещо водоснабдяване (БГВ). Следователно тази част на котела - кондензационната, е възможно да се използва за БГВ или за захранване на технологичен процес”, поясни председателят на националната професионална секция по ”Отопление, вентилация, климатизация, хладилна и сушилна техника, топлоснабдяване и газоснабдяване” към КИИП.

Необходим е предварителен анализ на консуматорите?
Доколко е рентабилно използването на кондензационните котли, бе следващият ни въпрос към доц. Ивайло Банов. “Това е основен въпрос, който е многозначен като отговор. Преди всичко, при оценката на рентабилността на един кондензационен котел е необходимо да се вземе предвид видът на стопанството, което се предвижда да бъде захранвано. Например, дали става въпрос за жилищна или обществена сграда, промишлено предприятие и т.н. Необходимо е предварително да бъде известна консумацията на топлоносител с определени параметри, а именно: високотемпературен, който ще се произвежда от самия котел, и нискотемпературен - за битово горещо водоснабдяване”, заявява той.
Основен въпрос е конкретното приложение на котела. Известно е, че в обществените сгради консумацията на гореща вода е малка. Следователно, инвеститорът е изправен пред логичния въпрос дали е целесъобразно да направи инвестиция в по-скъп котел, с по-голям топлообменник, с по-сложна автоматика. На този въпрос би могъл да отговори инженер-проектантът по ОВК, след като направи обстоен анализ на консуматорите и график на неравномерностите, за да може този котел да работи в неговите оптимални параметри”, коментира доц. Банов. Той добави, че от характеристиките на консуматора зависи и рентабилността на кондензационните котли с големи мощности, използвани в индустриалните производства. “В подобни приложения често не е необходимо производството на топла вода за битови нужди. А при отсъствието на консуматор няма какво да охлади димните газове, те ще минат през топлообменника, но няма да бъдат охладени. Следователно кондензационният котел ще работи като нормален газов котел. Затова въпросът обикновен газов или кондензационен котел е по-рационално да се закупи, е много важен. Необходимо е да се направи режим на експлоатация, товаров график, за да се определи ще може ли равномерно да са натоварва съоръжението”, заяви Ивайло Банов.

Комбинацията кондензационен котел и слънчева инсталация
Като подходящо решение, особено за малки обекти като еднофамилни къщи, доц. Банов посочи предвиждането на буферен съд в инсталацията. “Поставянето на буферен съд се препоръчва, поради факта, че през нощта котелът ще продължи да работи, но в този период от денонощието консумация на топла вода обикновено няма. През този период буферният съд акумулира топлина, а получената топла вода би могла да се използва през деня. Естествено, необходимо е неговият обем да бъде съобразен с консумацията”, коментира доц. Банов.
Друго все по-често срещано решение е комбинирането на кондензационен котел със слънчева инсталация. “Слънчевите инсталации на практика имат функцията да подготвят вода за битови нужди. Комбинацията между кондензационен котел и слънчева инсталация е много добро решение при еднофамилни къщи, в които през летните месеци има нужда от топла вода, но не и от отопление. Тъй като не е целесъобразно включването на котела, зареждането на буферния съд с топла вода се осигурява от слънчевата инсталация. Съответно в облачно време, посредством съответната автоматика, котелът може да се включи”, заяви в допълнение доц. Ивайло Банов.
В заключение той заяви, че еднозначен отговор на въпроса доколко е целесъобразно да се инвестира в кондензационен котел, не може да се даде, без да се направи оценка. Доц. Ивайло Банов акцентира и върху факта, че при кондензационните котли съществуват редица други конструктивни особености, които трябва да се отчетат. Сред тях са отвеждането на кондензата към канализацията.

Защо котлите на течно гориво намират ограничено приложение?
Попитахме г-н Банов защо кондензационните котли на течно гориво намират ограничено приложение. В отговор той заяви: “Основна причина за това е фактът, че споменатите горива съдържат сяра. При използването им отпадни продукти от горивния процес, освен водна пара, са серен диоксид, азот, азотен двуокис и т.н.”.
При взаимодействието на серен двуокис с водна пара в течно състояние се получава серниста киселина, която е силно агресивна и предизвиква висока скорост на корозия на металните повърхности на котела. “Това налага или използването на легирани стомани, което води до значително повишаване на себестойността на котела, или недопускане на температурата на димните газове под точката на роса, при която водната пара започва да кондензира. Решение на проблема е температурата на димните газове да се следи и тя да се поддържа винаги над точката на роса”, допълни доц. Банов.
Както вече бе отбелязано, обаче, целта на кондензационната техника е да намали температурата на димните газове. “Следователно възниква противоречие, което е причина кондензационните котли на течно или твърдо гориво да се използват много рядко, при специфични изисквания на технологията. При приложението им е необходимо да се вземат съответни мерки, а именно дрениране на сярата, използване на специални сероочистващи съоръжения и т. н., което твърде много оскъпява инсталацията”, заявява събеседникът ни.
По отношение на котлите с големи мощности, предназначени за индустриални приложения, той заяви: “При големите енергийни котли, използвани в ТЕЦ и топлофикационни централи, поради наличието на постоянен разход на вода е необходимо непрекъснато допълнително добавяне на свежа вода. Вследствие от високата температура на димните газове, в тракта на димните газове се поставят топлообменници - економайзери, с които се цели да се загрее постъпващата в котела питателна вода над температура на околната среда. Известно е, че през зимата тя е 5-6 оС, а през лятото 20-30 оС. Това решение спомага за повишаване на ефективността на котела”, обясни доц. Банов. В економайзера питателната вода се загрява до температура, близка до тази на насищане, което намалява количеството необходима енергия за дозагряването й до температурата на насищане. “Условието е на изхода на котела температурата да бъде по-висока от температурата на насищане”, отбеляза г-н Банов.

Специфични изисквания към инсталацията няма
В отговор на въпроса налага ли използването на кондензационен котел специфични изисквания към отоплителната инсталация доц. Банов заяви: “Ако кондензационният котел произвежда топлоносител с температура 90/70 оС, т.е. средно 80 оС, не можем да говорим за никакви по-специфични изисквания към отоплителната инсталация. В последно време се наблюдава тенденцията изчислителният режим да се приема за 80/60 оС. Един кондензационен котел спокойно би могъл да осигури тази температура на топлоносителя, а кондензационната част се използва за загряване на вода за БГВ или за друг технологичен процес. Така че специфични изисквания към отоплителната инсталация няма”.
Ивайло Банов обърна отново внимание на факта, че използването на топлоносителя от кондензационната част за отоплителни нужди рефлектира в по-големи топлообменни повърхности на отоплителните тела.

Технологията не ограничава мощността на котела
Друг въпрос, с който се обърнахме към доц. Банов, бе как би оценил пазарното предлагане на кондензационни котли у нас - като марки и мощностен диапазон. “Предлагането е огромно. Всеки производител на отоплителна техника и газови котли, представен в България, предлага и кондензационни котли. На пазара в страната се предлагат предимно италиански котли, но също така и немски, френски, испански, турски и др.”, коментира той и допълни: “По отношение на мощността, разнообразието също е голямо. Котли с по-големи мощности логично се предлагат предимно от по-големи компании, които могат да си позволят развоя и производството на подобни технологии. На българския пазар се предлагат и кондензационни котли с мощност до 1 MW”.
По отношение на факта, че масово се предлагат котли с по-малка мощност, предназначени за бита, за разлика от ограниченото предлагане на по-мощни съоръжения доц. Банов изрази мнение, обстоятелството се дължи предимно на значително по-големия пазар на котлите с малка мощност. “Въпреки това ограничения в мощността, от гледна точка на технологията, не може да се каже, че има. Естествено малко са компаниите, които могат да си позволят да държат на склад мощни кондензационни котли. Ограниченията в предлагането на котли с големи мощности идва предимно от търговски съображения, не от технологията”, заяви ръководителят на катедра “Топлинна и хладилна техника” към ТУ - София и допълни, че по отношение на конструкцията кондензационните котли с различна мощност не се различават особено. В основата на всички конструкции е наличието на нормален и допълнителен топлообменен апарат, който се монтира след стандартния изход на котела.

Оптимизацията е комплексна задача
По думите на доц. Банов за срок на откупуване е опасно да се говори. “При всички случай нормалният срок на откупуване на един кондензационен котел не би трябвало да превишава 3 години, което е един сравнително кратък период и всяка банка би финансирала подобна мярка. За големите енергийни котли този срок е около 5 - 8 години. Разбира се, когато говорим за срок на откупуване, е необходимо проблемът да се разглежда комплексно”, заяви той.
Като фактор, влияещ върху срока на откупуване, доц. Банов посочи отделянето на вода при кондензационната технология, което налага и определени изисквания към комина. “Не се допускат зидани комини. Необходимо е използването на метални комини, осигуряване на възможности за дрениране и т.н., а това са допълнителни инвестиции, които оказват влияние върху срока на откупуване. Ефективността е много висока, наистина, но и първоначалната инвестиция за котела и инсталацията е по-голяма”, заяви той.
“Когато се предприемат мерки, обикновено става въпрос за комплекс от мерки. В енергийния баланс всяка мярка се разглежда поотделно. Но е добре да се оцени ефектът върху ефективността на комплекса от мерки. Това е така, тъй като взаимното влияние между мерките, в някои случаи, би могло да доведе до мултиплициране на ефекта им. В други случаи точно обратното, едната мярка може да “изяде” ефекта от другата. Намесват се и чисто икономически показатели. Когато се предприемат мерки за оптимизиране на едно енергийно стопанство, при всички случаи проблемът не трябва да се разглежда изолирано. Необходимо е да се разгледат всички страни и тогава да се вземе най-доброто решение”, каза в заключение председателят на националната професионална секция по ”Отопление, вентилация, климатизация, хладилна и сушилна техника, топлоснабдяване и газоснабдяване” към КИИП доц. д-р инж. Ивайло Банов.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top