Каскадная система отопления

Материал из ТеплоВики — энциклопедия отоплении

Каскадная система отопления — наиболее мощный вариант автономной отопительной системы. Чаще всего каскадная система отопления используется для обогрева многоквартирных жилых домов, административных и общественных зданий, промышленных объектов. В частных жилых домах такие системы также используют достаточно часто — в случаях, когда общий метраж помещения превышает возможности даже самых мощных котлов. В подобных условиях вместо установки нескольких отдельных котлов, гораздо эффективнее и экономичнее использовать каскадное отопление: когда несколько отопительных приборов либо изначально работают в связке, либо объединяются в одну цепочку путем установки специальных регуляторов.

Эффективное взаимодействие приборов в каскадной системе

Объединение котлов в каскадную систему позволяет максимально эффективно использовать мощность котельного оборудования. Такие системы отлично обеспечивают здания больших площадей отоплением и горячим водоснабжением, при этом потребление топлива или электроэнергии в случае организации каскадной системы окажется гораздо ниже, чем при точечном отоплении. Это связано, в первую очередь, с возможностью настройки определенного, наиболее рационального алгоритма взаимодействия отопительных агрегатов в единой системе. Самыми эффективными каскадными системами отопления и горячего водоснабжения выступают, безусловно, автоматизированные системы.

Компоненты контроля и дистанционного управления каскадных систем

Автоматизированная система каскадного отопления — это комплекс отопительных приборов, связанных единым алгоритмом взаимодействия и оснащенных устройствами автоматического управления. По простоте использования такие системы стоят на одном уровне с современной «умной» бытовой техникой. Они оснащаются сложными электронными компонентами контроля, дистанционного управления и регулировок. Установка такой системы позволит, при правильном подборе режимов и рабочих настроек, рационально отапливать помещение, избегая излишних теплопотерь и исключая недостаточный обогрев.

Организация автоматизированной каскадной системы отопления

Автоматизированная каскадная система отопления — наиболее эффективное и экономичное решение в сфере автономного теплоснабжения. Организация автоматизированной каскадной системы отопления потребует установки дополнительного оборудования, контроллеров и датчиков. Необходим для этого и расчет цикла работы, алгоритма взаимодействия оборудования в единой системе. Это задача по силам только высококвалифицированным специалистам. Но в современных многометражных зданиях, оснащенных другими автоматизированными системами, или даже оборудованных по технологии «умный дом», автоматизированное каскадное отопление — единственно рациональный вариант.

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.

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.

Особенности каскадного подключения газовых котлов

Как правило, котлы газовые в частных домах подключаются к одному контуру. Но, у этого способа подключения есть свои недостатки. Куда эффективнее, когда система представляет собой использование нескольких устройств. Сама же схема обвязки котлов в этом случае может быть каскадной.

Особенности каскадного подключения

Когда котлы газовые подключаются к отопительному контуру последовательно и формируют ступень за ступенью – это очень удобно. При этом, управление каскадным циклом общее, и владелец может самостоятельно проводить настройку параметров системы, исходя из условий. Тогда как остальные параметры регулируются автоматически. Специалисты называют этот способ настройки гибким.

Котлы газовые подключенные по каскадному принципу могут использоваться для решения вопросов отопления жилых сооружений, общей площадью не больше 500 квадратных метров. И хотя данные цифры не являются обязательными к применению, владелец самостоятельно решает целесообразность установки дополнительного котла в случае, если площадь, подлежащая отоплению, больше.

В любом случае, котлы газовые, подключенные по каскадному принципу, очень эффективны в использовании. Установившие их смогут ощутить это в самом скором времени.

Что необходимо для каскадного подключения

Если вы планируете котлы газовые подключать каскадным типом, вам необходимо будет самостоятельно определиться с оптимальной схемой и рассчитать её параметры, учитывая все профессиональные оценки важных факторов. К примеру, включение котлов может быть возможно последовательным путем, без дополнительного оборудования только в том случае, если насос каждого газового котла сможет прокачивать теплоноситель по отопительному контуру. Для жилого дома небольшой площади этого вполне достаточно.

Но, если котлы газовые используются для большого здания, состоящего из нескольких этажей, то обязательно использовать специальный гидравлический разделитель. Это позволит оптимизировать финансовые расходы, гарантирует более высокий комфорт и рациональный расход синего топлива.

Каскад конденсационных котлов

Каскадные схемы котельных в том или ином виде существуют на протяжении фактически всей истории существования данной техники, в независимости от вида топлива и сферы применения. Обычно необходимость применения таких решений была связана с ограничением мощности отдельного котлового агрегата либо диапазона допустимых для него режимов работы. Однако с развитием технологий применяемых как в тепломеханической части конструкции котлов, так и в сфере автоматизации, использование каскадных решений все чаще становится не вынужденной мерой, а наиболее технически и экономически целесообразным выбором.

В данной статье мы рассмотрим основные преимущества применения каскадов на базе конденсационных котлов, различные тепломеханические схемы и вопросы автоматизации таких котельных.

Мы не будем акцентировать внимания на преимуществах отдельного конденсационного котла перед неконденсационным (традиционным). Как то значительно больший КПД и отказоустойчивость. Однако отметим выгоды применения таких котлов именно в каскаде.

Основные преимущества применения каскадов котлов

Большая часть перечисляемых ниже преимуществ может быть отнесена не только к конденсационным котлам, но мы будем отдельно обращать внимание на то, чем конкретно выделяется данный вид техники в рамках соответствующей темы.

Увеличение общего диапазона модуляции мощности

Как было отмечено выше, главная причина для установки нескольких котлов в каскад — увеличение максимальной мощности котельной при ограничении на производительность отдельного агрегата. С данной точки зрения любые котлы находятся, можно сказать, в равном положении.

В тоже время не стоит забывать о том, что к современным системам теплоснабжения предъявляются повышенные требования с точки зрения энергоэффективности. И одним из основных принципов в обеспечении данного принципа является обеспечение текущей мощности генераторов тепла равной потребности системы, не большей и не меньшей. Соответственно, нижняя граница модуляции производительности котельной так же играет важную роль. Применение каскада помогает значительно уменьшить данную границу. Стоит так же помнить о том, что для средних широт большую часть года потребность в тепле составляет не более 30-40 % от максимальной.

При использовании в каскаде одинаковых теплогенераторов нижняя граница мощности определяется просто делением минимальной производительности отдельного котла на их количество. И здесь легко увидеть, в насколько выгодном свете выступают конденсационные котлы. Минимальная модуляция для наиболее современных котлов настенного исполнения составляет примерно 15 %. Соответственно, применяя, например, четыре таких котла мы получаем общий диапазон бесступенчатой модуляции 4-100 %. Причем, в отличие от традиционных котлов, КПД конденсационных только растет со снижением модуляции.

Обеспечение высокого уровня отказоустойчивости котельной

Достаточно очевидное преимущество. Чем большее количество котлов в каскаде используется, там меньше падение общей мощности при выходе из строя и обслуживании отдельного теплогенератора.

Удобство монтажа и обслуживания оборудования

В независимости от общей мощности котельной, часто мы сталкиваемся с ограничениями по доступному пространству как при проектировании, так и при монтаже.

	С точки зрения проектировщика использование каскада из нескольких котлов позволяет более гибко использовать доступные площади, особенно это заметно при применении настенных котлов. Для большинства серий промышленных настенных котлов существуют готовые гидравлические решения по организации каскадов.
	Наиболее современные напольные конденсационные котлы так же предусматривают возможность компактной установки и удобной гидравлической обвязки.

Удобство для монтирующих и обслуживающих организаций заключается в легкости доставки отдельного котла к месту непосредственного монтажа на любом этапе. Особенно это актуально для крышных котельных, где в случае необходимости замены теплогенератора (хоть и крайне маловероятном), его легкость и компактность может сыграть критическую роль. В данном контексте так же не стоит забывать о предыдущем пункте данного раздела.

Возможность последовательного увеличения мощности котельной

Все чаще применяемая в последнее время возможность, позволяющая распределить инвестиции на различные этапы строительства.

Каскадные решения позволяют последовательно добавлять мощности в существующую систему. Естественно, что гидравлическая часть должна предусматривать возможность такого расширения.

Статья: Каскадные решения напольных котлов HL

Гидравлические схемы

Гидравлических схем по обвязке каскадных котельных существует огромное множество. Мы рассмотрим основные, которые применяются при работе с конденсационными котлами. Общим требованием к таким схемам является возможность независимой с точки зрения гидравлики работы отдельных теплогенераторов. Это требование в первую очередь означает обязательное наличие отдельного циркуляционного насоса для каждого котла. В наиболее современных настенных котлах промышленных серий данный насос является встроенным. Для того, чтобы величина циркуляции через отдельный котел не зависела как от других котлов, так и от работы систем потребителей, обычно применяются гидравлические разделители, которые известны так же под названием “гидравлические стрелки”. Однако возможны так же и другие способы решения данной задачи.

Равнозначные котлы с гидравлическим разделителем

Наиболее распространенный вариант. Котлы гидравлически равнозначны, независимость обеспечена за счет применения гидравлической стрелки.

Количество котлов, естественно, может быть любым экономически целесообразным. Правильная автоматизация позволяет обеспечить равномерную выработку ресурса котлов на протяжении всего срока службы.

Существует, однако, ситуация, когда такая схема не является оптимальной при использовании конденсационных котлов. А именно в случае, если потребность системы в мощности на приготовление ГВС может быть обеспечена небольшой частью котлов из всего каскада: одним или двумя. Для наиболее эффективной работы конденсационных котлов желателен низкотемпературный график работы системы потребителей (с температурой обратной воды ниже точки росы), в то же время для быстрого нагрева питьевой воды до требуемых значений требуется высокая температура котловой воды. Для того чтобы не выводить весь каскад из конденсационного режима на время приготовления ГВС, можно использовать следующую схему.

Схема с гидравлическим разделителем и отдельным котлом на нужды ГВС

В данном случае реализована возможность вывода отдельного котла из каскада для разогрева его до высокой температуры и приготовления горячей питьевой воды. Общее КПД установки в таком случае повышается. Среднегодовой рост эффективности выше для систем с низкотемпературными потребителями.

Недостатком такой схемы, в то же время, является большая выработка ресурса котлом или котлами, выделенными на цели обеспечения ГВС.

Схема с магистральным коллектором для обеспечения гидравлической независимости

Для иллюстрации того, что гидравлический разделитель не является обязательным компонентом схемы приведем вариант схемы выше.

В данном случае для обеспечения независимости котлов применяется замыкающий участок на распределительном коллекторе, обеспечивающий постоянную циркуляцию теплоносителя через любой теплогенератор. Такая схема может быть удобна в случае использования крышной котельной и расположения распределительных систем для контуров потребителей в подвале, так как позволяет сэкономить пространство, отказавшись от гидравлической стрелки.

Но при этом, проектирование данного решения требует обратить отдельное внимание на подбор котловых насосов, так как они должны обеспечивать так же потери напора на магистральном трубопроводе. По этой же причине такая схема применяется только с напольными конденсационными котлами. В современных настенных котлах насос встроен и диапазон его производительности точно подобран для обеспечения эффективной работы конкретно котла.

Автоматизация каскадных котельных

Роль средств автоматизации невозможно переоценить в вопросе удобства организации каскадных котельных, их надежности и эффективности.

Именно автоматика отвечает за то, чтобы “выжать” максимальную эффективность от котлов, работающих в каскаде, обеспечив при этом отзывчивость теплогенераторов на сигналы от потребителей.

В современные конденсационные котлы промышленных серий каскадная логика включается в базовую автоматику и оптимизируется для конкретного оборудования.

Основные функции автоматики каскадной котельной:

Сбор требований от потребителей на выработку тепла и определение приоритетов (ГВС, отопление, вентиляция и т.д.)

Определение оптимального режима работы каждого отдельного котла для обеспечения требуемой мощности.

Обеспечение равномерной выработки ресурса котлов (за редким исключением, рассмотренным выше).

Отслеживание аварий на котлах и сигнализация о них.

Если говорить об особенности работы автоматики именно с каскадом конденсационных котлов, то она заключается в стратегии включения и вывода котлов из текущей работы. Принципиально выделяют три таких стратегии:

Позже включить, раньше выключить.
В таком режиме работы дополнительные котлы добавляются в работу как можно позже с ростом потребности в тепле, то есть уже включенные котлы работают на максимальной мощности. При снижении потребности в мощности котлы выводятся из каскада как можно раньше. Данная стратегия обеспечивает наименьшее количество одновременно работающих котлов, их работу на максимальной мощности и наименьшее время работы дополнительных котлов.

Стандарт для неконденсационных котлов. Связано это с тем, что для неконденсационных котлов наблюдается некоторое снижение КПД при работе на сниженной модуляции.

Позже включить, позже выключить.
Включение дополнительных котлов так же как можно позже, но и выключение как можно позже. Применяется в случае необходимости обеспечения минимального количества операций включения горелок котлов.

Раньше включить, позже выключить.
Включение дополнительных котлов как можно раньше с ростом потребности в тепле и выключение как можно позже с ее снижением.

Именно такая стратегия управления используется с современными конденсационными котлами. При этом каждый отдельных котел работает на минимальной модуляции, обеспечивающей потребность в тепле. Количество работающих котлов максимально. В итоге мы получаем максимальный КПД каскадной установки при наиболее равномерной выработке ресурса котлов.