Что такое КПД бытовых отопительных котлов, как он рассчитывается и от чего зависит

КПД (коэффициент полезного действия) отопительного котла – это соотношение объема потребляемого топлива к объему выделяемого тепла. КПД даже наиболее эффективных современных моделей водогрейных котлов не может быть 100% в виду теплопотерь внутри котла, недостаточной теплопроводности металлов или несовершенства принципа работы. Кроме того, эффективность одной и той же модели газового котла зависит и от нагрузки: указанный в паспорте КПД является реальным не во всем диапазоне теплопроизводительности.

В статье мы разберем как правильно считать КПД, от чего он зависит и как увеличить эффективность уже приобретенного котла своими силами.

Читайте в статье

КПД-брутто и КПД-нетто

Не всё выработанное при сгорании топлива тепло направляется на нагрев теплоносителя, определенная часть расходуется на собственные нужды котлоагрегата: турбина, вентилятор или дымосос, циркуляционный насос, работа автоматики и электронного дисплея, работа электропривода (как вы уже поняли, в расчете используются все виды получаемой энергии, в том числе и электроэнергия, если котел энергозависимый).

С учетом этого принято разделять эффективность котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и отпущенной теплоте (КПД-нетто).

Такая классификация позволяет выделить степень технического совершенства котла – КПД-брутто или экономичность расхода топлива и электроэнергии – КПД-нетто.

Как рассчитать КПД котла отопления

Рассчитать значения можно несколькими способами. В европейских странах расчет КПД котла отопления принято производить по температуре отходящих газов (метод прямого баланса), то есть зная разницу между температурой окружающей среды и реальной температурой отходящих через дымоход газов. Формула довольно проста:

η бр = (Q1/Q_i r ) 100%, где

• η бр (читается «эта») – КПД котла «брутто»;
• Q1 (МДж/кг) – к-во тепла, которое удалось аккумулировать, т.е. использовать в целях обогрева дома.
• Q_i r (МДж/кг) – общее количество тепла, выделяемое при сжигании топлива;

Например, если Q1 = 19 МДж/кг, Q_i r = 22 МДж/кг, то КПД «брутто» = (19/22)*100 = 86,3%. Все замеры проводятся при уже установившемся, стандартном режиме работы котла.

Метод прямого баланса не учитывает теплопотери самого котлоагрегата, недожог топлива, отклонения в работе и прочие особенности, поэтому был придуман принципиально другой, более точный способ расчета – «метод обратного баланса». Используется уравнение:

η бр = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), где

• q2 – потери тепла с уходящими газами;
• q3 – потери тепла вследствие химического недожога горючих газов (применимо к газовым котлам);
• q4 – потери тепловой энергии с механическим недожогом;
• q5 – теплопотери от наружного охлаждения (через тепплообменник и корпус);
• q6 – потери тепла с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки.

КПД «нетто» котла отопления согласно методу обратного баланса:

η нетто = η бр — Q с.н , где

• Qс.н – общий расход тепловой и электрической энергии на собственные нужды в % выражении.

Реальный КПД практически всегда будет отличаться от заявленного производителем, поскольку зависит от правильности монтажа котла и отопительной системы, системы дымоудаления, качества электроснабжения и т.д. Измеряется он, соответственно, уже на месте.

От чего зависит тепловая эффективность котлоагрегатов

Коэффициент полезного действия отопительных котлов равен не при любой мощности, существует пропорциональная зависимость от нагрузки: увеличение тепловой нагрузки (к-ва сжигаемого топлива) увеличивает и теплопотери через корпус или дымоход. Так же точно эксплуатация на минимальной мощности не всегда обеспечивает полноценное сгорание топлива, что приводит к снижению КПД.

Например, в сервисной инструкции к газовым котлам Protherm Волк KSO мощностью 12,5 кВт и 16,0 кВт указано, что при работе на максимальной мощности (12,8 кВт и 16,3 кВт соответственно) КПД равен 92,5 %, в то время как при работе с минимальной нагрузкой (4,5 кВт и 5,8 кВт) – снизится и составит всего 78,4 %.

Это одна из основных причин, почему стоит осознанно подходить к выбору мощности котлоагрегата. Наиболее оптимальная работа в большинстве моделей достигается при нагрузке в диапазоне 60-90% от максимальной мощности.

В остальном коэффициент полезного действия зависит исключительно от технологического совершенства модели, направленного на снижение вышеописанных q2-6 (снижение температуры отходящих газов, эффективное сжигание топлива, модулируемые горелки, теплоизоляция и т.д.), а также от качества обслуживания и эксплуатации котлоагрегата. Чистота теплоносителя, регулярная чистка и промывка – все это со временем серьезно влияет на КПД.

Как выбрать комнатный термостат и экономить до 30% в месяц на отоплении

Значения современных котлов в зависимости от вида топлива

Фото	Вид котла в зависимости от сжигаемого топлива	Средний КПД, %
	Газовые
	— Конвекционные	87-94
	— Конденсационные	104-116 *
	Твердотопливные
	— Дровяные	75-87
	— Угольные	80-88
	— Пеллетные	80-92
	Жидкотопливные
	— На дизельном топливе	86-91
	— На мазуте	85-88
	Электрические ТЭНовые	99-99,5

* С точки зрения физики КПД не может превышать 100%: больше тепловой энергии, чем выделяется при сжигании топлива получить невозможно. Однако все зависит от того, как считать. Есть два определения:

• низшая теплота сгорания – тепло, полученное при сгорании топлива, когда продукты сгорания просто удаляются через дымоход;
• высшая теплота сгорания – теплота с учетом в том числе и энергии, содержащиеся в водяном паре – одном из продуктов сгорания горючих газов.

Газовые конденсационные котлы дополнительно аккумулируют и тепловую энергию конденсата, образующегося из продуктов сгорания газа и оседающего на дополнительном теплообменнике. Таким образом, существенная часть тепла не «вылетает в трубу», а температура отходящих газов практически равна атмосферной.

Согласно действующим нормам, как в России, так и в Европе, КПД отопительных котлов рассчитывается по низшей удельной теплоте сгорания, поэтому учет дополнительного тепла, извлекаемого из конденсата, приводит к значениям более 100%. При расчете по высшей теплоте сгорания КПД конденсационных газовых котлов равен 96-98% в зависимости от модели и типа монтажа: у настенных котлов КПД обычно выше, чем у напольных (это относится ко всем газовым котлоагрегатам).

Также из таблицы можно заметить, что средний КПД твердотопливных котлов также отличается в зависимости от используемого топлива, связанно это со степень сжигания топлива, его теплоотдачей, температурой горения и теплопотерями с физическим теплом шлаков, удаляемых из топочной камеры. Даже один и тот же твердотопливный котел может выдавать разный КПД при работе на разных видах топлива.

Как увеличить КПД газового котла

Повысить эффективность сжигания топлива вмешательством в техническое устройство котла практически невозможно, тот же слой теплоизоляции установить не получится в виду банальной непредусмотренности производителем места под него. Кроме того, делать это своими руками запрещено. Тем не менее есть способы увеличить КПД газового котла, особенно, если это несовершенная модель старого образца:

1. Готовый экономайзер для дымохода – заменяет определенный отрезок дымохода и предназначен для аккумуляции тепла отходящих через дымоход газов (некая имитация конденсационных котлов). Однако нужно точно посчитать параметры экономайзера и требования к дымоходу, чтобы сохранить необходимую тягу и предотвратить обратную тягу, например, при сильном ветре. Цена вопроса – 1 700-2 500 руб. Сэндвич-сетка экономайзер для трубы дымохода.
2. Самодельный экономайзер – практически идентичный с вышеописанными готовыми изделиями. Как сделать эффективный экономайзер мы уже описывали в одной из предыдущих статей .
3. Чистка котла и промывка теплообменника – это регулярные меры обслуживания, бессмысленные для новых котлоагрегатов, но крайне эффективные для эксплуатируемых хотя бы несколько сезонов. Дело в том, что во время эксплуатации внутри теплообменника образуются накипь и прочие солевые отложения, забиваются внешние ребра теплообменника, горелки и запальник. Все это приводит к увеличению расхода газа, снижению теплопроизводительности, соответственно, снижению КПД (часто до 20-30%). Как и насколько часто необходимо чистить газовый котел мы также уже разбирали ранее .
4. Газовый фильтр – устанавливается он перед запорной арматурой газовой магистрали и предназначен для очистки газа от мусора и примесей, иногда встречающихся в составе. Это не только способствует снижению сажеобразования, но и, повышая качество топлива, незначительно снижает теплопотери при недожоге.

Остальные же методы заключаются в правильных пуско-наладочных работах, которые проводятся единожды, при первом запуске котла, исключительно специалистами. При правильной изначальной настройке обеспечивается КПД, гарантируемый производителем. Важно понимать, что повысить этот показатель вмешательством в техническое устройство самого котла невозможно, и уж тем более – не безопасно.

Проверяем, отличается ли реальный КПД ‎двухконтурного котла от данных производителя?

Добрый день, уважаемые гости и подписчики моего канала!

Котёл — самый главный элемент в системе отопления и выбор этого агрегата вместе с настройкой и оптимизацией его работы всегда дают значительный эффект в части снижения затрат для хозяина дома.

Что же необходимо соблюсти, чтобы повысить КПД котла?

Предоставить ему оптимальное количество воздуха для поддержания горения и минимизировать теплопотери при выбросе дымовых газов, только так мы повысим КПД при сжигании топлива. Как раз, эффективность сжигания топлива и показывает нам насколько хорошо калорийность топлива преобразуется в тепловую энергию для отопления нашего дома.

Нам совершенно не интересно, какие процессы происходят внутри котла, мы учитываем топливо, попадающее в горелку и тот объем воздуха и температуру, которые выбрасываются в дымоход.

Представить это можно так:

То, что попадает в котёл — это 100%, всё что выходит — это тоже 100%. Но, то что выходит — частично улетучивается в атмосферу, а частично идёт на обогрев помещения. Как раз разница между тем, что попадает в котёл и тем, что выбрасывается и считается коэффициентом полезного действия котла отопления (КПД). Против этого не сможет возразить не один инженер! Другими словами, отведенные газы через дымоход вычитаются из 100 %, и получается действительная цифра, показывающая реальный КПД.

Для примера, я возьму котел, который установлен в моём доме — Buderus Logamax u072-24k. Нам понадобится несколько табличных значений и исходные данные котла:

• Теплоёмкость одного кубического метра воздуха — 1,3 кДж/м³К , при том, что 1мДж = 0,28 кВтч
• Теплотворная способность газа — 9,45 кВтч * м³
• Мой котел Buderus имеет мощность 24 кВт.

• Расход природного газа (см.выше) у этого котла — 2,8 м³/ч
• Затрачиваемая мощность при таком расходе газа (см.выше) — 26,7 кВт.
• При этих характеристиках, производитель заверяет, что КПД котла Buderus Logamax u072-24k равен 92%
• Среднее количество воздуха для сжигания 1 м³ газа равно 13 м³.
• Температура отводящих газов котла — 142 °C

Расчет

При сжигании 2,8 м³ газа за час, котел выбрасывает в атмосферу 2,8*13 = 36,4 м³ отработанных газов. Теперь, примем температуру на улице за -20°C, поэтому разница температур воздуха и отходящих газов составит 142-(-20) = 162°C .

Теперь, мы можем посчитать, какое количество тепла за час котел выбросит с отходящими газами: 36,4 м³ * 1,3 кДж/м³К * 162°C = 7,665 мДж = 2,15 кВтч.

Далее, из нашего расхода газа 2,8 м³ мы получаем тепловую энергию, учитывая параметр теплотворной способности газа: 2,8 м³ * 9,45кВтч * м³ = 26,46 кВт.

Вычисляем КПД

Теперь, вычисляем 1% полученной тепловой энергии: 26,46/100 = 0,2646 кВтч и вычисляем, сколько тепла в процентах всё же наш котел реально выбрасывает: 2,15 кВтч. / 0,2646 кВтч = 8,125 %

Производитель заявляет, что КПД Buderus Logamax u072-24k равно 92%. Правда ли? Да! Мы из 100% вычитаем то, что выбросили в атмосферу, а это 8,125% . Реальный КПД при температуре наружного воздуха -20°C равен 91,9% .

Что же у нас происходит с конденсационным котлом?

На каждом углу производители конденсационных котлов кричат, что их КПД превышает 100%. На самом же деле, мы это легко можем проверить. Процессы все те же самые, физику никто не отменял.

Повторюсь, что нас не интересует, что происходит внутри котла, поэтому оставляем все рассчитанные параметры прежними и учитываем лишь только то, что температура выбрасываемых газов в дымоход конденсационных котлов не 120-140 °C, а гораздо ниже и равна от 40°C до 80°C. Берем среднее значение — 60°C.

Итак, разница температур воздуха и отходящих газов составит 60-(-20) = 80°C.

Какое количество тепла за час конденсационный котел выбросит с отходящими газами: 36,4 м³ * 1,3 кДж/м³К * 80°C = 3,786 мДж = 1,06 кВтч.

Считаем КПД

1,06 кВтч. / 0,2646 кВтч = 4,006% — то, что уходит в трубу.

Друзья, мы уже 4% выбросили в атмосферу, как может быть КПД выше 100%? Реальный КПД конденсационного котла путем фактического расчета получается 100%-4% = 96%

107% заявленных производителем и не пахнет!

Вывод

Как Вы видите, расчет реального КПД совершенно несложный и в качестве проверки производителя, расчет может выполнить каждый хозяин дома для любого своего агрегата.

А в одной из следующих статей, я рассчитаю экономию и покажу, стоит ли переплачивать за конденсационный котел и через какое время он окупит сам себя. Остаюсь на связи!