Перспектива строительства автономных котельных на базе конденсационных котлов
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:
Qот=676.9 кВт.
Qгвс.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.
|
|
Рисунок 2. Сравнительная диаграмма максимальных расходов тепла на системы отопления, ГВС и на собственные нужды котельной.
|
Рисунок 3. 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).
-
Котельная на базе жаротрубных котлов с вентиляторными горелками.
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).
Произведя несложный расчет, получим, что среднегодовой КПД жаротрубных котлов с вентиляторными горелками составляет 82.28 % (по высшей теплоте сгорания).
-
Котельная на базе конденсаионных котлов.
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
Кол-во лет эксплуатации объекта
|
Объем природного газа, расходованный котельной на базе жаротрубных котлов за прошедший период, м3
|
Объем природного газа, расходованный котельной на базе конденсационных котлов за прошедший период, м3
|
Экономия газа, за период эксплуатации котельной, м3
|
Стоимость 1 м3 природного газа, руб. (при ставке инфляции 12%/год)
|
Стоимость 1 м3 природного газа, руб. (при ставке инфляции 18%/год)
|
Экономия, руб. за период эксплуатации котельной при ставке инфляции 12%/год
|
Экономия, руб. за период эксплуатации котельной при ставке инфляции 18%/год
|
1
|
393659,3
|
352298,1
|
41361.2
|
1,50
|
1,50
|
62041.8
|
62041.8
|
2
|
787318,7
|
704596,2
|
82722.4
|
1,68
|
1,77
|
69486.8
|
73209.3
|
3
|
1180978,0
|
1056894,4
|
124083.6
|
1,88
|
2,09
|
77825.2
|
86387.0
|
4
|
1574637,3
|
1409192,5
|
165444.8
|
2,11
|
2,46
|
87164.3
|
101936.7
|
5
|
1968296,6
|
1761490,6
|
206806.0
|
2,36
|
2,91
|
97624.0
|
120285.3
|
6
|
2361956,0
|
2113788,7
|
248167.2
|
2,64
|
3,43
|
109338.9
|
141936.6
|
7
|
2755615,3
|
2466086,9
|
289528.4
|
2,96
|
4,05
|
122459.5
|
167485.2
|
8
|
3149274,6
|
2818385,0
|
330889.6
|
3,32
|
4,78
|
137154.7
|
197632.6
|
9
|
3542933,9
|
3170683,1
|
372250.8
|
3,71
|
5,64
|
153613.2
|
233206.4
|
10
|
3936593,3
|
3522981,2
|
413612.0
|
4,16
|
6,65
|
172046.8
|
275183.6
|
11
|
4330252,6
|
3875279,3
|
454973.2
|
4,66
|
7,85
|
192692.4
|
324716.6
|
12
|
4723911,9
|
4227577,5
|
496334.4
|
5,22
|
9,26
|
215815.5
|
383165.6
|
13
|
5117571,2
|
4579875,6
|
537695.7
|
5,84
|
10,93
|
241713.4
|
452135.4
|
14
|
5511230,6
|
4932173,7
|
579056.9
|
6,55
|
12,90
|
270719.0
|
533519.8
|
15
|
5904889,9
|
5284471,8
|
620418.1
|
7,33
|
15,22
|
303205.3
|
629553.3
|
16
|
6298549,2
|
5636770,0
|
661779.3
|
8,21
|
17,96
|
339589.9
|
742872.9
|
17
|
6692208,5
|
5989068,1
|
703140.5
|
9,20
|
21,19
|
380340.7
|
876590.1
|
18
|
7085867,9
|
6341366,2
|
744501.7
|
10,30
|
25,01
|
425981.6
|
1034376.3
|
19
|
7479527,2
|
6693664,3
|
785862.9
|
11,53
|
29,51
|
477099.4
|
1220564.0
|
20
|
7873186,5
|
7045962,4
|
827224.1
|
12,92
|
34,82
|
534351.3
|
1440265.5
|
Всего
|
82668458,4
|
73982605,6
|
|
|
|
4470263.6
|
9097064.1
|
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.