Ювелирное обозрение

Каскадирование котлов – это одна из схем соединения теплогенераторов, благодаря которой увеличивается единичная мощность каждого нагревательного прибора. Такой метод подключения является оправданным и эффективным при большой тепловой нагрузке, а также в том случае, если с целью уменьшения расходов на отопление устанавливаются котлоагрегаты, работающие на разных видах топлива. Суть данной схемы заключается в следующем – общая тепловая нагрузка разделяется между несколькими независимо контролируемыми теплогенераторами, после чего в каскад включаются только те их них, которые обеспечивают потребности в производстве тепла в данный промежуток времени. Последовательное или каскадное подключение котлов принято разделять на «ступени», каждой из которых является отдельный нагреватель, а все ступени вместе формируют общую мощность сети теплоснабжения.

В большинстве случаев функционирование стандартных систем отопления и горячего водоснабжения обеспечивает один котел, подбор которого производится исходя из требований максимально возможной для него нагрузки. Однако реальное положение дел может сильно отличатся от предварительных расчетов. Как доказывает практика, в большинстве случаев, на протяжении отопительного сезона нагревательное оборудование работает не более чем на 50% своей мощности в течение 80% времени. Более того, если рассмотреть весь сезон эксплуатации таких приборов, то средняя загрузка на них составляет от 25 до 45%. Таким образом, один теплогенератор большой мощности будет расходовать лишнее топливо и не сможет эффективно компенсировать тепловые затраты. Виной этому являются приведенные выше показатели неравномерной, а часто и малой нагрузки. Ответом на эту проблему может стать каскадное подключение котлов.

Регулировка такой системы теплоснабжения производится благодаря специальному микроконтроллеру или интеллектуальному контроллеру. Его задачей является отслеживание температуры теплоносителя и определение того, сколько ступеней необходимо включить в работу для того, чтобы эта температура поддерживалась на заданном уровне. Благодаря такому регулированию, каскад котлов обеспечивает плавную работу всех составляющих системы отопления на нужной мощности (в широком ее диапазоне), в не зависимости от времен года. Происходит этот процесс благодаря последовательному подключению нескольких теплогенераторов – одного за другим. Каскадное регулирование в сочетании с программным управлением позволяет решить проблему определения наилучшего соотношения мощности котельной и отопительной системы. Данный принцип работы позволяет экономить энергоресурсы без уменьшения комфортной температуры в помещениях. Такой эффект достигается благодаря тому, что каскадная котельная способна долго функционировать на низкой температуре теплоносителя в периоды межсезонья и во время теплых зимних месяцев.

Исходя из приведенной выше информации, становится понятно, что последовательная схема подключения с несколькими нагревателями вместо одного, может гораздо лучше обеспечить расчетные нагрузки системы теплоснабжения. Поэтому может возникнуть предположение, что чем больше будет ступеней в данной схеме, тем эффективней она начнет функционировать. Однако это не совсем так. Все дело в том, что вместе с увеличением количества таких тепловых ступеней будут расти и площади поверхностей, через которые происходит теплоотдача. Проще говоря, будут возрастать потери тепловой энергии через обшивки котлов. В итоге это может аннулировать все преимущества от повышения КПД каскадной системы подключения котлов. Поэтому считается не целесообразным использовать более четырех ступеней в данной схеме.

Преимущества каскадного подключения котлов и его недостатки

Последовательное или каскадное подключение котлов имеет большое количество плюсов, среди которых следующие:

• Повышение экономичности системы теплоснабжения – за счет снижения КПД теплогенератора во время работы на частичной мощности;
• Возрастание надежности сети обогрева – в случае выхода из строя или остановки для технического обслуживания одного нагревателя, другие аппараты будут в состоянии частично или полностью обеспечить подогрев теплоносителя до нужной температуры;
• Увеличение ресурса службы котлов – в межсезонье и теплые периоды зимних месяцев можно использовать только часть агрегатов, отключив ненужные при помощи систем автоматики или вручную;
• Упрощение монтажа – маломощные котлы небольших размеров, используемые для каскадного подключения, гораздо проще и дешевле доставить, а также установить в котельной, чем их крупногабаритные аналоги. Кроме того, невзирая на увеличение количества теплогенераторов, в процессе их подключения применяются универсальные комплектующие и элементы системы, такие как гидравлические узлы и объединенные дымоходы;
• Облегчение обслуживания котельной – достигается, как за счет небольших габаритов котлов, так и за счет того, что осмотр или ремонт каждого из них можно проводить, не останавливая всю систему теплоснабжения. Немаловажным является и то, что замену определенных деталей у таких нагревателей осуществлять проще и дешевле, так как запасные части на маломощные теплогенераторы являются более доступными.

Что касается недостатков каскадного подключения, то их также несколько. Во-первых, увеличивается стоимость отопительной системы за счет монтажа нескольких котлов и дополнительного оборудования для управления последовательным подключением. Во-вторых, такое количество приборов требует больше места в котельной, чем нужно при установке одного крупного и мощного нагревателя. И, в-третьих, несколько усложняется подключение каскада котлов к дымоходу.

Типы каскадного подключения котлов

Данный вид соединения теплогенераторов подразделяется на три типа, исходя из метода работы их горелок. Типы последовательного подключения котлов бывают такими:

• Простой каскад – в его состав входят теплогенераторы, имеющие одноступенчатые или двухступенчатые горелки. Такая система способна увеличить мощность каждого нагревателя;
• Смешанный каскад – данный тип соединения включает разные теплогенераторы, один из которых отличается модулируемой горелкой. При этом именно на такой нагреватель устанавливается система управления температурой котловой воды;
• Модулирующий каскад – в его состав входят только теплогенераторы с модулируемыми горелками. Позитивное отличие данного типа соединения от двух предыдущих состоит в том, что в нем регулировка подачи топлива происходит плавно, а также присутствует возможность изменять производительность тепла в широком диапазоне.

Несложно заметить, что главное различие трех типов каскадного подключения котлов заключается в том, какими горелочными устройствами они оборудованы. Дело в том, что именно горелки оказывают большое влияние на функционирование системы отопления. Так, схема простого каскада позволяет регулировать производство тепла исключительно пошагово. Поэтому самым оптимальным типом последовательного соединения котлов считается модулируемый каскад, даже с учетом того, что применение более чем двух ступеней уменьшает производительность каждого нагревателя в отдельности. Все дело в том, что агрегаты с модулируемыми горелками дают возможность бесступенчато менять мощность системы, исходя из потребностей в тепловой энергии. Такой принцип работы позволяет снижать расход топлива, а, следовательно, и экономить на отоплении.

Условия создания модулируемого каскада

Согласно приведенной выше информации, именно модулируемый каскад можно назвать самым эффективным из всех трех типов таких соединений. Однако его реализация зависит от трех условий, выполнение которых должно быть предусмотрено на этапе проектных работ.

• Подводка магистралей и контроллеров должна быть реализована с учетом потребности в независимой регулировке циркуляции потока через каждый из теплогенераторов. Если вода будет проходить через выключенный нагреватель, ее тепловая энергия начнет рассеиваться через теплообменник или кожух агрегата. Независимость такой регулировки достигается за счет оснащения всех нагревателей индивидуальными циркуляционными насосами.
• Подающая и обратная магистрали для каждого теплогенератора должны быть подключены параллельно. Это особенно важно для конденсационных котлов. Такая схема дает возможность поддерживать температуру воды одинаковой на входе в каждый нагреватель, а также препятствует перетеку теплоносителя между контурами. При этом увеличивается и КПД всей системы;
• Циркуляционные насосы должны обеспечивать достаточный поток теплоносителя через функционирующие котлы, вне зависимости от показателей расхода отопительной системы. Для этого используется гидравлический разделитель низкого давления.

Гидравлический разделитель низкого давления или гидравлическая стрелка – это современный и важный элемент каскадного подключения. Его назначением является разделение первичного и вторичного контуров (то есть контуров котлов и потребителей), с созданием зоны снижения гидравлического сопротивления. Благодаря этому, расход теплоносителя в этих двух контурах будет зависеть исключительно от производительности циркуляционных насосов, которые не будут оказывать влияние друг на друга. Такой разделитель создает гидравлический и температурный баланс контуров. Гидравлическая стрелка позволяет поддерживать постоянный расход теплоносителя в первичном контуре, а во вторичном – производить его эффективную регулировку с учетом тепловой нагрузки. Такая функция уже стала стандартом для современных отопительных сетей. Выбор гидравлического разделителя или стрелки производится по каталогу, исходя из необходимой мощности теплогенератора и максимально возможного протока теплоносителя в системе.

Монтаж каскадного подключения котлов

Установка каскада теплогенераторов производится в несколько этапов, каждый из которых включает приблизительно такие действия:

• Подготовительные работы в помещении котельной, монтаж креплений и нагревателей;
• Монтаж газовой магистрали, дренажной линии, а также гидравлических коллекторов;
• Монтаж гидравлической стрелки, а также группы безопасности;
• Подключение коллектора дыма;
• Пусконаладочные и проверочные работы, а также настройка всех систем автоматики.

Каскадирование котлов является достаточно сложным делом, в процессе реализации которого необходимо учитывать большое количество различных нюансов. Поэтому создание системы теплоснабжения такого типа нужно доверять только квалифицированным специалистам, способным выполнить все работы на должном уровне. Как разработку, так и монтаж каскадного подключения котлов должны выполнять компании и профессионалы, знающие специфику таких схем, а также имеющие соответствующие лицензии и допуски. Внимание ко всем мелочам и ответственный подход к реализации последовательного подсоединения теплогенераторов помогут создать надежную, эффективную и безопасную отопительную систему, которая будет также и экономичной.

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.

Решением этой проблемы стало каскадирование котлов . В каскад устанавливается несколько теплогенераторов – это позволяет качественно изменить управление мощностью, сделать его ступенчатым или плавным. Плавность регулировки дает возможность производства именно требуемого количества теплоты.

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:

1. Ручное управление работой каждого отдельного котла;
2. Ступенчатое управление посредством каскадных переключателей;
3. Плавная регулировка блоком каскадного управления (БКУ).

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:

1. Отдельные коаксиальные дымоходы;
2. Раздельные дымоходы турбированных котлов;
3. Групповое дымоудаление с обратными дымовыми клапанами;
4. Естественное дымоудаление – групповое или индивидуальное.

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:

1. Надежность системы – постоянное наличие резерва;
2. Гибкость регулирования – экономия топлива;
3. Увеличение продолжительности службы котлов – реализация «щадящего» режима работы;
4. Возможность оперативного ремонта и профилактики каждого отдельного котлоагрегата;
5. Облегченные условия монтажа – при сооружении крышных котельных облегчается их доставка на место.

Также каскад обладает и следующими недостатками:

1. Общее удорожание оборудования;
2. Для размещения каскада требуется более просторное помещение.

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.

Каскадная котельная из двух котлов Vaillant и обвязкой по схеме Тихельмана позволила организовать экономичное и эффективное отопление и ГВС крупного домовладения в пригороде Екатеринбурга (общая площадь отапливаемых объектов 1100 м 2 ). При этом было сэкономлено немало средств и полезной площади для домовладельца при максимальном уровне комфорта.

Для отопления домовладения, в состав которого входят особняк владельца, гостевой дом и баня (при этом имеются такие гидротехнические сооружения, как плавательный бассейн, сауна, хамам, теплые полы), была построена одна котельная мощностью 130 кВт.

В качестве отопительных агрегатов использованы 2 конденсационных котла Vaillant VU 656/4. В обвязку котлов включен гидравлический разделитель, после которого построена вся система распределения теплоносителя: 9 контуров – теплые полы дома и бани, радиаторное отопление всех объектов, контур теплообменника бассейна, контур загрузки бойлеров, контур подогрева вентиляции, контур нагрева хамама. ГВС обеспечивается двумя водонагревателями косвенного нагрева Vaillant VIH R 300.

Вся система работает в автоматическом режиме. Для реализации этой задачи использован погодозависимый регулятор calorMATIC 630, а также дополнительные смесительные модули VR60. Автоматика управляет в общей сложности девятью контурами различного назначения, размещенными в соответствующих зданиях.

Философия построения данной системы управления позволяет децентрализовать управление, размещая в каждом здании небольшие коллекторные узлы распределения теплоносителя между контурами радиаторного отопления и ветвями системы отопления теплым полом. Причем для обеспечения локального регулирования теплыми полами применены модули радиоконтроля с выносными беспроводными терморегуляторами и электроприводами на коллекторном узле. Это сводит к минимуму количество необходимых трубопроводов и кабелей управления, которые надо прокладывать между зданиями на участке.

Для дистанционного управления системой, а также для дистанционного контроля за котельной предусмотрен модуль vrnetDialog, который позволяет отслеживать состояние системы в текущий момент, получать оповещения о всех аварийных ситуациях, иметь возможность перенастраивать параметры отопления и подготовки горячей воды и управления нагревом бассейна удаленно через Интернет.

Проектирование и монтаж оборудования осуществлен Группой компаний «Феррон» – партнером «Вайлант Груп Рус» в Екатеринбурге и Свердловской области. Компания является региональным дистрибьютором и авторизованным сервисным центром, имеет собственный склад запасных частей (www.ferrongroup.ru).

Первоначально хозяин домовладения планировал обустроить по отдельной котельной в каждом отапливаемом строении: в коттедже, гостевом доме и бане. Это потребовало бы подведения газовой магистрали к каждому объекту, выделения площади для размещения каждой из трех (!) котельных, создания и согласования трех отдельных проектов. Под каждую котельную потребовалось бы также построить свою систему дымоходов.

После тщательного технического аудита объекта и экономических рас-четов, проведенных специалистами компании «Феррон», домовладельцу был предложен альтернативный проект: одна каскадная котельная для отопления и ГВС всех построек на территории на базе двух настенных конденсационных газовых котлов Vaillant, расположенная в бане в двухуровневом помещении с отдельным входом.

Проект технически довольно сложный, но его преимущества очевидны: газ подводится только к одному помещению – к бане. На первом этаже расположена котельная с узлом распределения тепла, а большинство технологических элементов системы водоснабжения и сопутствующего оборудования бассейна – в подвальном помещении под котельной. Там размещены: два гидроаккумулятора по 500 л для создания запаса холодной питьевой воды, 2 буферные емкости бассейна, фильтры, насосы, водоподготовка и пр.

Конфигурация подключения котлов выполнена по так называемой «схеме Тихельмана», при которой гидравлическое сопротивление веток выровнено между собой. Таким образом, нагрузка между двумя котлами распределяется равномерно.

Данная схема в совокупности с применением экономичных конденсационных котлов позволила добиться очень высокой энергоэффективности объекта по расходу газа. Благодаря использованию погодозависимого регулятора и автоматики вся работа оборудования осуществляется в автоматическом режиме с возможностью дистанционного управления, что обеспечивает высокий уровень комфорта для жильцов. Отдельный вход в помещение котельной сводит к минимуму контакт обитателей коттеджа с техническими специалистами, осуществляющими сервисное обслуживание. (Вообще-то, отдельный вход – это требование нормативных документов при размещении газовых теплогенераторов).

По самым скромным подсчетам, применение каскадной котельной позволило владельцу домовладения сэкономить около 30–35 % на оборудовании и строительных работах, обеспечило максимальную энергоэффективность объекта и высокий комфорт в жилище.

Еще одним немаловажным преимуществом такого локализованного объединения функционала котельной в одном месте является то, что теперь эту котельную можно дополнить системой гелиоколлекторов Vaillant с буферной емкостью, которая смогла бы на себя взять обеспечение теплом бассейн, нагрев ГВС в весенний, летний и осенний периоды. Расходы тепла на эти потребители значительные, и применение гелиоустановки в данном случае позволило бы сократить годовые эксплуатационные затраты еще на 25–35 %!