Перспектива строительства автономных котельных на базе конденсационных котлов для теплоснабжения промышленных и гражданских зданий.

К.В.Самолетов, инженер-проектировщик ООО «Хортэк-Центр», ассистент кафедры ТОЭС СПбГПУ

Введение

 

Темпы роста строительства в нашем городе увеличиваются с каждым годом. Строится огромное количество жилых и промышленных зданий. Подавляющее большинство зданий, особенно в исторических районах города, невозможно подключить к тепловым сетям из-за их изношенности, невозможности подключения дополнительной тепловой мощности, а порой и полным отсутствием сетей в районе застройки. В результате всего вышесказанного все больше и больше строится домов с автономным источником теплоснабжения – индивидуальными котельными.

Ежегодно в Санкт - Петербурге строится и запускается не одна сотня автономных котельных. Как правило, источник тепла в таких котельных – жаротрубные котлы с вентиляторными горелками. В подавляющем большинстве зданий системы отопления и вентиляции спроектированы с параметрами теплоносителя 95-70°С. До последнего времени данное решение считалось наиболее экономически обоснованным.

Но в настоящее время все больше и больше внимания уделяется энергоэффективности зданий. Это обусловлено конечностью энергетических ресурсов и постоянным ростом энергопотребления человечеством, что в конечном результате, естественно, вызывает постоянное повышение цен на энергоносители. Принятие правительством РФ решения привести цены к европейскому уровню толкают строителей на поиск более выгодных решений с экономической точки зрения.

Более высокая экономическая эффективность возможна при использовании низкотемпературной системы отопления c источником тепла – котельной, работающей в конденсационном режиме. За счет конденсации водяного пара и более глубокого охлаждения продуктов сгорания КПД специализированного конденсационного котла или котла, работающего в конденсационном режиме, может быть увеличен на 15-25%. Следовательно, для максимальной экономии топлива необходимо обеспечить как можно более низкую температуру теплоносителя в обратной линии. Имеется всего лишь одно решение – перейти на низкотемпературную систему отопления, температурный график которой гарантирует возможность конденсации.

В продуктах сгорания углеводородного топлива наряду с диоксидом углерода, азотом и другими компонентами имеется водяной пар. Объемная доля водяного пара в неразбавленных (при коэффициенте избытка воздуха, равном 1) продуктах сгорания природного газа (с теплотворной способностью 8000 ккал/м³) составляет 20%. При конденсации пара выделяется теплота конденсации, равная скрытой теплоте парообразования и зависящая от давления (температуры насыщения). Для водяного пара, в диапазоне температур 40–60 град, она составляет 575–563 ккал на 1 кг. водяного пара. При сгорании 1 куб.м. природного газа образуется примерно до 2,15 куб.м., водяного пара, при полной конденсации которого выделяется около 1000 ккал теплоты, что составляет около 11% низшей теплоты сгорания.

 

Выбор самого выгодного температурного графика

 

Повторюсь, что на данный момент подавляющее большинство зданий отапливается радиаторной системой отопления с параметрами теплоносителя 95-70°С. Калориферы системы вентиляции (если в здании предусмотрена система вентиляции) работают на тех же параметрах. Я считаю, что данный температурный график, при современном строительстве не всегда обоснован. При устройстве автономной котельной для выбора температурного графика необходимо рассматривать работу систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и источника тепла – котельной совместно, как единое целое. Рассматривать как с технической, так и с экономической точки зрения. Понятно, что системы отопления и вентиляции, а тем более система приготовления горячей воды обладают наименьшей стоимостью при работе котельной на параметрах 95-70°С. Но не стоит забывать, что и КПД котельной в данном случае – наименьший. С другой стороны – можно отапливать здание напольной системой отопления, калориферы системы вентиляции подобрать на температурный график 50-30°С, а котельную эксплуатировать в конденсационном режиме. КПД котельной будет велик, но и стоимость такой системы будет несоизмеримо высокой. Необходимо найти золотую середину!

Для этого давайте проанализируем климатическую обстановку на территории Санкт – Петербурга и Ленинградской области. На рисунке 1 представлен график колебания средней многолетней температуры в Ленинградской области. По графику видно, что средняя многолетняя температура наружного воздуха за отопительный период редко превышает - 10ºС.

Рисунок 1. График изменения средней многолетней температуры в течение года.

 

В соответствии со СНиП ******:

- температура наружного воздуха самой холодной пятидневки -26ºС;

- средняя температура наружного воздуха за отопительный период -1.2 ºС;

- средняя температура самого холодного месяца -7.8 ºС;

 

Для выбора самого «оптимального» температурного графика необходимо проводить детальное технико-экономическое обоснование для каждого индивидуального объекта. Ради примера, давайте рассмотрим температурный график теплоносителя - 80-60ºС. Температура теплоносителя в подающей линии - 80ºС, а в обратной - 60ºС соответствует температуре наружного воздуха -26ºС, что бывает всего несколько дней в году. При средней температуре наружного воздуха за отопительный период – 1.2ºС параметры теплоносителя уже будут 50-30ºС.

Получается, что: снизив параметры теплоносителя всего на несколько градусов, мы получили возможность эксплуатировать котельную в конденсационном режиме до 95% времени при незначительном увеличении стоимости систем отопления и вентиляции.

 

Экономический эффект при использовании конденсационных котлов

 

Для наглядного примера произведем расчет. Цель расчета сравнить расходы природного газа при устройстве котельной, работающей в конденсационном режиме, с параметрами теплоносителя 80-60 ºС и при устройстве котельной на базе жаротрубных котлов, с параметрами теплоносителя 95-70 ºС.

Объект исследования – жилой дом в СПб. Нагрузка на системы отопления и ГВС принята в соответствии с паспортами и составляет:

Q_от=676.9 кВт.

Q_гвс.ср=215.0 кВт.

Нагрузка на систему вентиляции отсутствует.

Источник тепла – крышная котельная. Топливо – природный газ с теплотворной способностью 8000 ккал/м³.

 

Сначала произведем расчет годового расхода тепла и проанализируем полученное:

- годовой расход тепла на отопление – 1615625 кВт/год.

- годовой расход тепла на ГВС – 1338298 кВт/год.

- годовой расход тепла на собственные нужды котельной – 59670 кВт/год.

 

Проанализировав годовые расходы тепла на различные системы видно, что хотя нагрузка на систему ГВС составляет всего 23.4% от всей мощности котельной, то годовой расход тепла на систему ГВС, работающую 360 дней в году, уже составляет - 44.4%.

Для наглядности на рисунке 2 представлена сравнительная диаграмма максимальных расходов тепла на системы отопления, ГВС и на собственные нужды котельной. На рисунке 3 представлена сравнительная диаграмма годовых расходов тепла на системы отопления, ГВС и на собственные нужды котельной.

Поэтому необходимо понимать, что для возможности эксплуатации котельной в низкотемпературном режиме, необходимо продумать возможность приготовление горячей воды, имея в греющем контуре теплоноситель с низкой температурой. Такие решения существуют и успешно применяются.

 

Сравним среднегодовой КПД котельной на базе жаротрубных котлов и котельной на базе конденсационных котлов. Для удобства расчет произведем по высшей теплоте сгорания газа – 8880 ккал/м³ (низшая теплота сгорания определяется с учетом того, что водяной пар находится продуктах сгорания в перегретом виде, высшая – полностью сконденсировался).

Основное оборудование – два жаротрубных котла N=600 кВт с вентиляторными горелками. Для расчета КПД жаротрубного котла можно взять характеристики любого зарубежного жаротрубного котла – они практически не отличаются. КПД котла с вентиляторной горелкой можно рассчитать по методике Weishaupt.
 Произведя несложный расчет, получим, что среднегодовой КПД жаротрубных котлов с вентиляторными горелками составляет 82.28 % (по высшей теплоте сгорания).

Основное оборудование – промышленный конденсационный котел Rendamax R2708, так как это единственный промышленный конденсационный котел на Российском рынке на данный момент. Произведя расчет, получим, что среднегодовой КПД конденсационных котлов составляет 91.94%.

 

Результаты расчета сведены в таблицу 1. Получается, что даже при ставке инфляции всего 12% в год за 20 лет эксплуатации котельной экономия составит 4470264 руб. При ставке инфляции 18% в год, экономия составит 9097064.1 руб. Сложно спрогнозировать рост цен на природный газ, но ясно одно: природный газ будет дорожать с каждым годом. В 2007 году рост стоимости природного газа в России составил более 25%!

Таблица 1.

Расчет экономии природного газа при эксплуатации конденсационных котлов по сравнению с жаротрубными котлами

 

 

В дополнение, хочется добавить, что в конденсате частично растворяются вредные составляющие продуктов горения, поэтому вредные выбросы в атмосферу (оксид углерода, оксиды азота, бензопирен) у конденсационных котлов значительно меньше, чем у жаротрубных, что тоже очень важно.

 

 Перспектива строительства автономных котельных на базе конденсационных котлов