что такое каскадное подключение газовых котлов
Каскадное подключение котлов
Каскадное подключение отопительных котлов – эффективное техническое решение, повышающее качество управления системой и позволяющее снизить потребление топлива. Подключение котлов каскадом дает ряд весомых преимуществ в работе средних и крупных систем отопления и ГВС. Материал статьи рассматривает принципы работы и построения каскада, описывает особенности данного теплотехнического решения.
Подключение котлов каскадом
Анализ работы котельного оборудования показывает, что в 80% времени теплогенераторы работают на мощности, не превышающей номинальной производительности в 50%. То есть тепловая мощность отбирается в течение отопительного сезона примерно на 30 – 35%. Это обусловлено изменением температуры окружающей среды, изменением режима горячего водопотребления и так далее.
Мощность котлов рассчитывается всегда по максимуму – это делается для покрытия суммарных тепловых потребностей. Каждый котел имеет минимальное значение тепловой мощности в своей работе, она составляет величину от 25 до 40% номинальной производительности.
Это свойство каскада повышает гибкость системы. В случае установки одного мощного теплогенератора достичь подобной гибкости невозможно.
В каскады чаще всего объединяют газовые и электрические котлы. Причем для интегрирования автоматики котлы должны быть одной марки (производителя). Соединение котлов разных производителей возможно, но это требует применения дополнительных узлов, схем управления и автоматики.
Схема каскада котлов
Схема подключения каскадом является классическим образцом применения гидравлического разделителя. Котлы в первичном контуре присоединяются параллельно к прямому и обратному коллектору. Коллекторы, в свою очередь, подключаются к гидравлической стрелке.
На каждый котел на подачу устанавливается циркуляционный насос (если не имеется встроенного) и обратный клапан. Клапан препятствует протоку теплоносителя через неработающий котел и потерям тепла на его теплообменнике.
На обратном трубопроводе котла устанавливается сетчатый фильтр, защищающий котел от загрязнения. Каждый котел отсекается запорной арматурой с разборным соединением. Это позволяет снимать котел для ремонта и профилактики без остановки системы.
Коллекторная группа котлов оснащается группой безопасности – предохранительным сбросным клапаном, автоматическим воздухоотводчиком и термоманометром. Установка группы производится в обязательном порядке, даже при наличии встроенных групп безопасности котлов.
Обязательный элемент системы – расширительный бак (экспанзомат). Присоединение его может быть произведено как в контур котлов, так и в контур потребителей. Расчет его производится на общий объем теплоносителя в системе.
Управление каскадом котлов
Управление работой первичного контура производится следующими способами:
Ручное управление производится заданием параметров работы каждого котла, прежде всего температуры. Этот вариант регулировки требует постоянного присутствия человека.
Ступенчатое управление производится с помощью каскадных переключателей. Они руководят системой как набором ступеней мощности, при изменении нагрузки включают (выключают) отдельные котлы каскада.
Наиболее эффективным является плавное регулирование с помощью БКУ. В этом случае достигается минимальный шаг изменения мощности. Котлы при этом должны быть оборудованы модулируемыми горелками. Блоки каскадного управления могут интегрироваться с датчиками температуры в помещениях и системами погодозависимой автоматики.
Дымоудаление каскада котлов
Дымоудаление системы зависит от типа газовых котлов и реализуется следующими методами:
При групповом дымоудалении к общему дымоходу подключают не более 4 котлов. При коаксиальном коллективном дымоудалении каждый котел оборудуется обратным дымовым клапаном. Он препятствует проникновению дыма в помещение при простое теплогенератора.
Преимущества и недостатки каскада
Главными преимуществами каскадного подключения котлов являются:
Также каскад обладает и следующими недостатками:
Удорожание системы из-за экономии топлива окупает себя. Каскадное подключение котлов является выгодным как с технической, так и с экономической точки зрения. Самостоятельное сооружение каскада вряд ли возможно – существует необходимость привлечения специалистов для монтажа и наладки автоматики, проведения расчетов дымовых трактов и так далее.
Преимущества подключения отопительных котлов в каскад
Удвоенный эффект тепла
Требуемая мощность отопительного котла рассчитывается из условий максимальной потребности в отоплении и горячем водоснабжении. Однако реальная нагрузка распределяется во времени очень неравномерно, так что в оптимальном для себя режиме агрегат работает крайне редко.
Каскад газовых котлов в системе отопления дома
Типовая схема котельной для частного дома предусматривает использование одного котла, способного выполнять разом и функцию отопления, и подготовку горячей воды.
На самом деле практика показывает, что только 20% времени котёл работает с загрузкой более 50%. Усреднённая же загрузка котла в нашем климате составляет не более 30-40% за отопительный сезон.
В первую очередь это означает, что основную часть времени мощный котёл функционирует при малой нагрузке и просто не может выйти на оптимальный для него режим работы.
В идеале потребляемая мощность должна соответствовать примерно 80% от максимальной мощности котла. Однако в реальной жизни подобное встречается редко. Помимо повышенного расхода топлива, ухудшения экологических показателей и неэффективного использования тепла это означает ещё и ускоренный износ котла. Ведь если тот достаточно долго работает вполсилы, такое приводит к снижению его рабочего ресурса.
Наилучшим решением в данном случае может стать каскадное подключение нескольких меньших котлов вместо одного мощного. Этот эффективный технический приём используется специалистами на протяжении многих лет. При помощи подключения котлов в каскад решается проблема оптимального соотношения мощности котельной и требований потребителей тепла.
Каскадное подключение котлов
Принцип работы подобной схемы прост. Суммарная требуемая нагрузка распределяется между двумя, тремя и более независимо контролируемыми котлами.
Каждый из них представляет собой определённую «ступень» в производительности общей котельной. В определённый отрезок времени в работу последовательно включаются только те котлы, которые необходимы в данный момент и не более.
Каскад котлов обеспечивает работу котельной в необходимом диапазоне мощности независимо от времени года. Таким образом, в межсезонье или в условиях зимней оттепели каскадная котельная может длительно работать при низких температурах теплоносителя, уменьшая расход топлива и сокращая периоды простоя системы. При этом температурные условия объекта только улучшаются, становятся более стабильными и комфортными.
Кроме того, каскад нивелирует влияние скачкообразного потребления, когда один из отопительных контуров задействован непостоянно (например, для обогрева бассейна, бани, теплицы и так далее). При резком повышении нагрузки в работу просто включается другой котёл.
Преимущества каскадного подключения нескольких котлов в системе отопления по сравнению с одним котлом той же суммарной мощности:
1. Надёжность системы значительно повышается. При вынужденной остановке одного из котлов котельная продолжит работать. То есть в самый лютый мороз, когда в период пиковых нагрузок отопительный котёл чаще всего и выходит из строя, котельная обеспечит, по крайней мере, часть необходимого тепла.
2. Увеличивается общий ресурс оборудования. В осенне-весенний период или при отсутствии дополнительных нагрузок можно эксплуатировать только часть котлов.
3. Ремонт любого котла можно произвести без остановки всей системы. А благодаря меньшему размеру агрегатов облегчается и задача по их обслуживанию. Кроме того, детали котлов меньшей мощности доступнее и дешевле только за счёт большей серийности производства.
4. Несколько небольших котлов меньших размеров и меньшего веса намного проще доставить и установить, чем один большой и тяжёлый. Что бывает актуально для подвального или чердачного размещения котельной.
К недостаткам каскадного подключения можно отнести то обстоятельство, что установка нескольких агрегатов и дополнительных элементов управления каскадом увеличивает общую стоимость системы и требует больше места, чем установка одного мощного котла. Нужно иметь ввиду и более сложное подключение каскада к дымоходу.
Каскадный монтаж отопительных котлов
В последнее время многие известные европейские производители котельного оборудования разработали и успешно применяют систему «каскада» из настенных газовых или электрических котлов. Каскадирование котлов — это эффективный технический приём для увеличения единичной мощности отопительного аппарата. Каждый котёл представляет свою «ступень» теплопроизводительности в общей мощности системы. В данной статье мы познакомимся с возможными схемами совместного использования нескольких котлов в одной системе отопления.
На сегодняшний день многие потребители в качестве основного источника тепло- и водоснабжения выбирают газовые теплогенераторы (котлы). Есть несколько видов монтажа газового оборудования:
1. В систему отопления монтируется один теплогенератор.
2. В систему отопления монтируется несколько теплогенераторов.
Рассмотрим вариант монтажа в систему нескольких теплогенераторов для компенсации тепловых потерь. Есть несколько видов системы управления при таком исполнении: параллельное включение каждого котла, когда каждый из котлов работает отдельно друг от друга, но на одну систему (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция и др.); и второе, каскадное включение котлов, когда оборудование смонтировано и подключено в одной общей системе тепломеханического и электрического подключения.
При этом каскад объединяется единой системой управления.
Итак, что же такое каскад? Каскад — это один из самых эффективных способов повышения предельной мощности или увеличения минимальной мощности одного аппарата, но об этом чуть позже, а пока для примера давайте рассмотрим работу индивидуального теплового пункта.
Как показывает практика, на максимальную тепловую нагрузку оборудование работает от трёх до пяти месяцев в году с номинальной тепловой нагрузкой от 60 до 100 %, оставшееся же время оборудование работает на пониженной мощности (от 40 до 60 %). Возьмём за основу межотопительный период с марта по сентябрь и площадь отапливаемого помещения 1000 м 2 или же нагрев воды в системе горячего водоснабжения. По усреднённым расчётам, 1 м 3 сжигаемого газа обеспечивает примерно 10 кВт мощности котла. Значит, если у вас в качестве отопительного прибора используется один котёл мощностью 100 кВт, то его минимальная нагрузка составит 50 кВт, что равняется среднему расходу 5 м 3 газа в час. Если же у вас в системе подключён каскад из трёх котлов с мощностью 36 кВт каждый, то, как показывает практика, включаться будет один из теплогенераторов с минимальной нагрузкой 10,6 кВт, что равняется среднему расходу газа 1,6 м 3 в час. Как следствие, при работе в системе одного газового теплогенератора с такой минимальной нагрузкой в межотопительный период его расход газа составит практически в три раза больше по сравнению с каскадным включением котлов, а это увеличение финансовых затрат.
Типовые схемы монтажа газогорелочного оборудования (каскад) таковы.
Первый — это простой каскад. Данная схема включает в себя газовое оборудование с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками. При монтаже такой схемы оборудование работает по следующему принципу: сначала включается первая ступень горелки с номинальной мощностью 70 % (от суммарной мощности котла), а если данной мощности недостаточно для компенсации тепловых потерь, то в работу подключается вторая ступень с мощностью 100 %.
Второй — это модулируемый. Данная схема монтажа является более экономичной. Она объединяет в себя оборудование с модулированными горелками. Имеется возможность в плавном режиме изменять объём подачи топлива и способность регулировать теплопроизводительность в достаточно широком диапазоне. То есть оборудование включается с минимальной тепловой нагрузкой 40 % и при необходимости плавно увеличивает её до мощности в 100 % с шагом в 1 %.
Основные преимущества каскадной системы с двумя и более газовыми котлами перед обычными системами, в которых в качестве отопительного оборудования используется лишь один газовый котёл, таковы.
Во-первых, управление работой газового оборудования должно осуществляться при помощи блока каскадного управления или же другой автоматикой. Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (ПИД) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает её с расчётным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить.
Во-вторых, это экономия газа и, как следствие, сохранение финансовых средств, которые можно направить на реконструкцию своего объекта. Способность котлов с модулируемыми горелками снижать расход топлива часто называют коэффициентом рабочего регулирования горелки (отношение максимальной тепловой мощности котла к минимальной). Как же это можно реализовать? Всё очень просто, система сама сделает это за вас.
Приведём пример — при работе оборудования на мощности свыше 70 % начинается повышенный расход газа. У вас есть два котла с мощностью 24 кВт каждый. Сначала включается первый котёл с номинальной нагрузкой 9,4 кВт и постепенно увеличивает её до мощности 100 %. Если же одного котла не хватает, то включается второй котёл, например, на мощность 40 %. Итого общая нагрузка обоих котлов составит 32 кВт. Второй вариант — включается первый котёл также номинальной нагрузкой 9,4 кВт и постепенно увеличивает до мощности 70 %. Если же данной мощности не хватает, то в работу включается второй котёл на мощности тоже 70 %, а общая нагрузка также составит 32 кВт. При работе газового оборудования во втором варианте экономия газа составит от 15 до 30 %.
В-третьих, это простота транспортировки и монтажа оборудования. Несколько настенных котлов установить или смонтировать куда проще, чем один мощный котёл. Достаточно небольшие габариты и вес настенных котлов обусловливают преимущество установки их в каскад при монтаже крышных котельных, в подвальных или полуподвальных помещениях. В частности, при монтаже таких котельных не требуются дополнительные затраты на специальную технику для подъёма или транспортировки мощного габаритного котла.
В-четвёртых, это резерв. Если по какой-либо причине один из котлов выйдет из строя, например, при аварии теплогенератора, то вся система будет продолжать работу на пониженной или средней мощности. Если же в системе работает один котёл, и он «выйдет в ошибку», то перестанет работать вся система отопления, а в каскаде каждый котёл является автономным, и в случае возникновения аварийной ситуации отключится только неисправный агрегат.
В-пятых, это условия размещения. Каскад из настенных теплогенераторов разрешается монтировать и осуществлять его эксплуатацию в пристроенных, встроенных, отдельно стоящих, крышных котельных и др.
На практике есть немало примеров, когда при реконструкции объекта, расширении и добавлении дополнительных тепловых потребителей приходилось модернизировать и саму котельную (менять действующее газовое оборудование на более мощное), что приводило к большим финансовым потерям, а с вариантом каскадного управления можно при необходимости просто добавить в существующую систему один или несколько котлов.
Есть несколько вариантов размещения газового оборудования: монтаж оборудования на стене, на специализированных стойках (креплениях) в ряд или же размещение газогорелочного оборудования «спина к спине».
Итак, каскадные котельные применяются практически во всех областях, но наиболее они востребованы в системах автономного теплоснабжения одного или нескольких объектов. При монтаже каскадного управления потенциальным заказчикам и потребителям нет необходимости строить теплотрассу от централизованной системы отопления, которая, безусловно, имеет существенные тепловые потери, особенно при функции ГВС.
Наиболее выгодным решением каскадного регулирования является установка данного оборудования в частных домах, ресторанах, гостиницах, магазинах различной площадью и т.д. Если заказчик умеет считать свои деньги, хочет быть уверен в безопасности, экономичности, надёжности и качестве своего оборудования, то он выберет котельную, состоящую из каскада котлов.
Схема каскадного подключения котлов
Каскадное подключение котлов — это один из вариантов подключения газовых котлоагрегатов, с целью увеличения единичной мощности и ступенчатой регулировки системы теплоснабжения.
Данный способ подсоединения считается оправданным и результативным при значительной отопительной нагрузке.
Плюсы каскадной схемы котлов
Смысл этого метода состоит в том, что суммарная тепловая мощность распределяется между различными независимо функционирующими котлоагрегатами, в результате этого в работу подключаются те, которые способны обеспечить тепловую нагрузку в данный период функционирования теплосетей.
Каскад котлов разделяют на «ступени», которые совместно вырабатывают общую тепловую мощность сети.
Каскадная либо последовательная схема включения газовых котлов обладает значительными преимуществами:
Тем не менее, как и все системы теплоснабжения, схема обвязки каскада котлов имеет свои недостатки:
Возможность повышение мощности
Основная причина для размещения нескольких котлоагрегатов в каскад — повышение предельной мощности котельной при рабочей нагрузке одиночного котла, например, Вайлант.
К современным теплоснабжающим системам предъявлены высокие требования по вопросам энергоэффективности. Котел считается таковым если работает на номинальных нагрузках.
Котел выбирается по максимальной тепловой нагрузке для расчетных отопительных минусовых температур наружного воздуха, которые случаются не чаще 15-20% на протяжении отопительного сезона.
Таким образом, при традиционной схеме обогрева котел в среднем работает незагруженным на 30-40 % и предельно низким КПД. Напротив, в каскадной схеме расположения источников, каждый агрегат работает на полную мощность.
Общая теплопроизводительность регулируется за счет введение в работу нового агрегата.
При установке в каскаде равных по мощности котлоагрегатов, нижняя граница теплопроизводительности устанавливается делением суммарной на их число.
В наиболее выгодном варианте будут находиться котлы с широким диапазоном модуляции, поскольку в этом случае суммарная производительность будет устанавливаться по нижней границе мощности.
Так, например, при каскаде из 4-х котлов 25 кВт котлов с модуляцией 30-100%, нижняя граница мощности составит:
что составляет 10 % общей модуляции системы теплоснабжения и является энергоэффективным результатом, который не может обеспечить ни один газовый котел в традиционной схеме обвязки.
Удобство монтажа и эксплуатации
Несмотря на то, что в целом обвязка каскадом считается очень сложным процессом, который можно поручить только специализированным организациям, имеющим соответствующие разрешительные документы, сам процесс по обвязке каскадной схемы считается простым, поскольку легче укомплектовать в одну схему малогабаритное однотипное оборудование.
Применение типового оборудования упрощаем не только монтажные работы, но и эксплуатацию каскадной схемы. Установка каскада происходит в несколько стадий:
Схемы каскадного подключения
Наиболее часто применяются три типа каскадного включения агрегатов, в зависимости от вида монтажа и числа контуров нагрева.
Типы каскадного включения агрегатов:
Гидравлическая стрелка — это популярный инновационный узловой элемент каскадного включения. Он разделяет контуры котлоагрегата и системы отопления, создавая зоны низкого гидросопротивления.
Расход греющей среды в этих 2-х контурах обуславливается мощностью индивидуальных электронасосов. Подобный разделитель формирует гидравлический и тепловой баланс и удерживает постоянный объем греющей воды в основном контуре.
А во второстепенном выполняет его эффективное регулирование по тепловой мощности.
Отопительные котлы с гидравлическим разделителем
Схема с гидравлической стрелкой считается типовой и даёт возможность добавлять произвольное число источников тепла и зон нагрева.
К ней без осложнений могут быть подсоединены и высокотемпературное отопление с типовыми батареями, и низкотемпературное по системе «тёплый полы».
Такой вариант включения дает возможность работать без применения сложно управляемых блоков каскадного регулирования и не снижать температуру греющей среды в отопительной системе при максимальной нагрузке.
Допускается подключить несколько котлоагрегатов по упрощенному варианту, без применения специального оборудования и блоков, используя интегрированную погодозависимую автоматику включения котлов.
Организовывая котельную по данной схеме необходимо уделить пристальное внимание на то обстоятельство, что всякий агрегат в отдельности обязан гарантировать нужный объем теплоносителя в системе отопления за счет встроенного насоса циркуляции. Если характеристики котла это условия обеспечить не могут, устанавливают гидроразделитель и самостоятельный насос во вторичном отопительном контуре.
Схема с котлоагрегатов для ГВС и гидравлической стрелкой
Бывают ситуации, когда выше обозначенная схема способна быть оптимальной, например, при необходимости подогрева горячей воды для бытовых нужд. В этом случае применяют схему с котлоагрегатом для ГВС и гидрострелкой.
Она хорошо работает в случае, если потребность в ГВС обеспечивают небольшим числом агрегатов из всего каскада: одним либо двумя. Особенно, когда в системе теплоснабжения применяется низкотемпературный режим отопления, например, в системе «теплый пол».
Тем временем для скорого нагрева горячей воды до температуры 65 С требуется более высокая мощность котлоагрегата. Чтобы не выключать весь каскад из низкотемпературного режима на период нагрева ГВС применяют схему с отдельным котлоагрегатом на нужды ГВС.
В таком случае реализуется работа одного котлоагрегата из каскада для нагрева более высокой температуры ГВС. Общее КПД системы в таком варианте повышается.
Схема обвязки с магистральным коллектором
Такой вариант собирается в отсутствии гидравлической стрелки. В подобном варианте для предоставления автономии котлам используется замыкающий участок на распредколлекторе, гарантирующего регулярную циркуляцию через любой котлоагрегат.
Подобная конфигурация удобна при обустройстве котельной крышного типа и размещении распредсистем для контуров потребления в подвальных помещениях и позволяет сохранить свободное пространство, без использования гидравлической стрелки.
Проектирование такого решения потребует уделить особое внимание на выбор котловых электронасосов, поскольку они обязаны гарантировать компенсацию потерь напора на магистральном трубопроводе.
В связи, с чем данная схема используется исключительно с напольными вариантами котлоагрегатов. В настенных газовых агрегатах насос встроен в его конструкцию, и его характеристики обеспечивают только работу котла для отопления.
Автоматизация каскадных котельных
Роль автоматики в таких котельных огромна, чтобы обеспечить их надежное и эффективное функционирование. Именно она несёт ответственность за то, чтобы получить наибольшую эффективность от агрегатов, функционирующих в каскаде, гарантируя при этом чувствительность котлов на потребительские запросы.
В этих системах каскадная логика интегрируется в базовую автоматическую схему и настраивается для определенного парка котельного оборудования. Базовые функции автоматизации каскадных схем теплоснабжения:
Подобная политика регулирования применяется в современной каскадной котельной. В этом случае каждый единичный аппарат должен функционировать на минимальной модуляции, гарантирующей тепловую нагрузку.
Только в таких условиях можно получить высокий КПД каскадной установки при равномерном использовании ресурса работы котлоагрегатов.