Схемы каскадного подключения отопительных газовых котлов

Один в доме не воин

Чаще всего несколько котлов работают совместно на одну систему отопления через гидравлический разделитель («стрелку»). Это обеспечивает гидравлический, а следовательно, и температурный баланс первичного (котлы) и вторичного (нагрузка) контуров системы.

Каскад котлов в системе отопления дома

Таким образом, циркуляция теплоносителя в обоих контурах будет полностью зависеть только от производительности соответствующих насосов. Что позволяет оперативно реагировать на потребности в тепле в конкретный момент времени.

Становится возможным поддерживать постоянный расход теплоносителя в первичном контуре, при этом регулируя подачу тепла во вторичном. То есть снижать количество циклов отключений/включений котла. Когда насос вторичного контура отключен, вся вода, циркулирующая под воздействием насоса первичного контура, перепускается через разделитель.

В современных системах отопления готовый гидравлический разделитель выбирается исходя из требуемой мощности котла и максимального протока теплоносителя в системе.

Варианты каскадного подключения котлов

Схема с гидравлической стрелкой является типовой и позволяет присоединять любое необходимое количество котлов и зон отопления или тепловой нагрузки. То есть к ней без особых сложностей могут быть подключены и высокотемпературная зона отопления (радиаторы), и низкотемпературная (тёплые полы), и бойлер для горячей воды.

Такая схема позволяет обойтись без использования дополнительных сложных блоков каскадного регулирования и не понижать температуру теплоносителя в системе отопления при пиковой (по запросу бойлера) потребности в горячей воде.

Некоторые производители предусмотрительно позволяют подключить два отопительных котла котла по упрощённой схеме, без использования дополнительных устройств и блоков. Применяя при этом встроенную погодозависимую автоматику котлов и автоматику приоритета ГВС одного из котлов.

При организации котельной по такой схеме следует обратить внимание на то, что каждый котёл по отдельности должен самостоятельно обеспечить необходимый расход теплоносителя во всей системе отопления силами встроенного циркуляционного насоса. Если это не представляется возможным, рекомендуется установить гидравлический разделитель и отдельный насос во вторичном контуре системы отопления.

Соединение котлов в каскад при помощи электронного блока каскадного управления является комплексным решением и имеет большую эффективность. Блок каскадного управления оптимизирует работу системы и обеспечивает включение в зависимости от требуемой мощности только необходимого количества котлов.

При работе с модулируемыми горелками блок каскадного управления стремится обеспечить работу котлов в оптимальном режиме пониженной мощности.

Если возможностей уже работающих котлов недостаточно, подключается следующий, при этом мощность каждого котла снижается. Это обеспечивает их работу в более щадящем режиме. Данный блок обеспечивает попеременную работу всех котлов и гарантирует, что каждый котёл проработает одинаковое количество часов.

Для сравнительно небольшого и хорошо утеплённого дома комфорт и экономия, достигнутые включением в систему блока каскадного регулирования, скорее всего, весьма относительны. Но когда потребности в тепле велики, эффект можно ощутить в полной мере.

Как правило, блоки каскадного управления используются вместе с датчиками температуры. Часто идут споры насчет того, какой из них лучше использовать: уличный или внутренний. Лучше иметь оба, ведь предназначены они для разных целей, хотя уличный и главный. Внешний датчик, согласно заложенной в контроллере кривой нагрева, задаёт основной закон регулирования. И предусмотрительно усиливает или снижает нагрев исходя из изменений наружной температуры.

Комнатный предназначен для учёта таких дополнительных факторов, как инерция водяного тёплого пола, инсоляция (влияние солнечного света на южной стороне), тепловыделение (кухонная плита, включенная аппаратура, камин). Без него вполне можно обойтись. Помимо этого электронный контроллер блока имеет множество вспомогательных способностей. Умеет плавно разогревать систему, имеет временные режимы (день / ночь, эконом), режим периодического пуска насоса (чтобы не закисал в межсезонье) и другие функции.

Конденсация в каскаде

Применение блока каскадного управления наиболее эффективно совместно именно с конденсационными котлами. В этом случае выделяемая котлами мощность всегда идеально соответствует потребляемой.

Такая система является идеальным решением для тепло- и горячего водоснабжения не только частного, но даже многоквартирного дома и целого производственного или офисного здания. Как часть каскадной системы конденсационные котлы могут представлять собой определённую альтернативу промышленным котельным.

Нагрузка на систему отопления динамично изменяется, поэтому котёл (если умеет это делать) вынужден модулировать мощность, подстраиваясь под изменения нагрузки. И конденсационный делает это лучше всех.

В конденсационных котлах используются наддувные горелки для предварительного смешения газа с воздухом. Автоматика управляет как газовым клапаном, так и скоростью подающего воздух вентилятора, обеспечивая максимально выгодную пропорцию газовоздушной смеси.

Обычный же котёл при модуляции меняет только расход газа (давление в форсунках), а подача воздуха при этом остаётся неизменной, настроенной под один заданный режим (обычно максимальной мощности). При уменьшении мощности котла (процесс модуляции) подача газа снижается, а количество воздуха остаётся стабильным, то есть увеличивается коэффициент избытка воздуха и теряется КПД котла.

Преимущество конденсационника в модуляция на всех режимах работы, что в простых газовых котлах недостижимо. Ведь при сгорании газа помимо CO₂, азота и других летучих соединений образуется ещё и вода, которая изначально присутствует в виде пара.

Развитые поверхности теплообменника снижают температуру продуктов сгорания до величины, при которой происходит конденсация водяного пара. А при конденсации, как известно из школьного курса физики, выделяется потраченная на испарение воды теплота (фазовый переход). Следовательно, в конденсационном котле это тепло не улетучивается в трубу, а используется с пользой для дела.

Использование конденсационных котлов в каскадной отопительной системе по сравнению с традиционными котлами позволяет уменьшить потребление газа на 30-35% за отопительный сезон и, соответственно, снизить на ту же величину затраты на топливо.

Каскадное или последовательное подключение котлов

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.