Каскадная система отопления. Каскадное подключение нескольких котлов. Параллельное подключение котлов – плюсы и минусы

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:

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.

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:

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.

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 , 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.

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.

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.

Каскадный способ подключения котлов используется уже на протяжении многих лет. Концепция проста: разделили суммарную тепловую нагрузку между двумя или более независимо контролируемыми котлами, и включайте только те котлы, которые удовлетворяют потребности в данной нагрузке в данное время. Каждый котел представляет свою «ступень» теплопроизводительности в общей мощности системы. Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно отслеживает температуру подачи теплоносителя и определяет, какие ступени системы следует включать для поддержания заданной температуры.

ПРЕИМУЩЕСТВА
использования каскадной системы:

Повышенная сезонная эффективность системы по сравнению с использованием одного мощного котла;
-частичное покрытие нагрузки даже если один из котлов отключен, например, для проведения сервисных работ. Это особенно важно в суровых климатических условиях, когда из-за низкой температуры неработающая система может замерзнуть очень быстро;
-каскадную систему установить намного легче, чем один большой котел, особенно при модернизации системы. Кроме того, запчасти для менее мощных котлов стоят дешевле;
-возможность одновременно обеспечивать как высокие нагрузки по ГВС или антиоблединению, так и намного меньшие по отоплению.

Представляем рабочие характеристики двух разных каскадных систем по отношению к гипотетичной диаграмме нагрузки. В первой системе используются два котла с одноступенчатыми горелками, каждый из которых способен обеспечить 50% расчетной нагрузки. Во второй системе используются четыре котла с одноступенчатыми горелками, каждый из них может обеспечить 25% расчетной нагрузки. Очевидно, что система из четырех котлов вместо двух способна эффективнее обеспечивать условия расчетных нагрузок. Исходя из этого можно предположить, что чем больше ступеней в каскадной системе, тем лучше она удовлетворяет нагрузкам. Это особенно эффективно при невысоких показателях требуемой мощности. Однако с увеличением количества ступеней увеличивается площадь поверхности теплоотдачи системы (обшивка котлов), через которую происходит потеря тепла, что в конечном счете может свести на нет преимущества повышенного КПД такой системы. Поэтому не всегда целесообразно использование более четырех ступеней. Неотъемлемое ограничение системы «простого» каскада (котлы с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками) - пошаговое регулирование теплопроизводительности (мощности системы), а не беспрерывный регулируемый процесс. Несмотря на то, что использование более двух ступеней значительно снижает теплопроизводительность каждого котла, идеальным решением будет система «модулируемого» каскада (котлы с модулируемыми горелками). Модулируемые горелки позволяют бесступенчато регулировать мощность в зависимости от потребности в теплоте, не изменяя количественного соотношения топливо/воздух, т.е. когда в зависимости от объема подаваемого воздуха и аэродинамического сопротивления меняется количество подаваемого в камеру сгорания топлива. Это обеспечивает стабильный КПД котла и минимальные концентрации загрязняющих веществ в уходящих газах при переменной тепловой нагрузке. Следующий шаг. Последняя тенденция в решении каскадных систем - система модулируемого каскада. В отличие от использования ступенчатых горелок, котлы с модулируемыми горелками способны плавно изменять объем подачи топлива, а следовательно, и контролировать уровень теплопроизводительности в широком диапазоне значений. На сегодняшний день на рынке отопительного оборудования широко представлены маломощные котлы с модулируемыми горелками, способные плавно изменять производительность котла в диапазоне 30–100% от номинальной тепловой мощности. Способность котлов с модулируемыми горелками снижать расход топлива часто называют коэффициентом рабочего регулирования горелки (т.е. отношение максимальной тепловой мощности котла к минимальной). Например, коэффициент рабочего регулирования горелки котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальным расходом топлива 10 кВт будет равен 50 кВт/10 кВт или 5:1. Суммарный коэффициент рабочего регулирования установленных в каскадную систему котлов значительно превышает коэффициент отдельного котла. Например, если в каскадной системе используются четыре котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальной 10 кВт, суммарное регулирование производительности будет осуществляться в диапазоне от 200 кВт до 10 кВт. Следовательно, коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 20:1. В условиях низкой теплопроизводительности теплообменник котла с модулируемой горелкой работает при сравнительно низкой температуре теплообменных поверхностей котла со стороны сгорания. Когда такой котел используется для удовлетворения низких нагрузок, например, напольного отопления, его работа обычно сопровождается непрерывной конденсацией топочных газов. Во избежание повреждений теплообменника вследствие конденсации в современных котлах с модулируемыми горелками используют теплообменники из нержавеющей стали или алюминия. При работе в условиях низких температур КПД таких котлов может превышать 95%. Маломощные котлы с модулируемыми горелками обычно проектируются с закрытой камерой сгорания, что расширяет набор проектных решений для систем подвода воздуха и отвода продуктов сгорания, поскольку дымоходы таких котлов не обязательно должны быть прямыми. Обычно дымоходы изготавливают из оцинкованной листовой или нержавеющей стали или алюминия. Но для некоторых моделей котлов, например для Vaillant VU 505, успешно применяется система гибких полипропиленовых дымоходов (их можно закладывать в старые, непрямые или непригодные для обычных режимов дымовые каналы).

Особенности системы
Существуют три важные особенности, которые следует учитывать при проектировании системы «модулируемого» каскада. Первое. Особенности подводки магистралей и контроллеров должны позволять независимую регулировку циркуляции потока через каждый котел. Вода не должна циркулировать через неработающий котел, иначе тепло теплоносителя будет рассеиваться через теплообменник или кожух котла. Это также касается и системы простого каскада. Независимая регулировка потока теплоносителя достигается благодаря оснащению каждого котла индивидуальным циркуляционным насосом.При параллельной установке циркуляционных насосов, для предотвращения обратного потока теплоносителя через неработающие котлы, вниз по потоку насосов следует установить обратные клапаны. Оптимальное решение этой ситуации - установка циркуляционного насоса с мокрым ротором со встроенными запорными клапанами. Подача теплоносителя в каждый котел с помощью индивидуальных циркуляционных насосов позволяет повышать давление в теплообменнике работающего котла в целях предотвращения кавитации и взрывного парообразования.

Второй важный момент - параллельное подключение подающей и обратной магистралей для каждого котла (особенно при использовании конденсационных котлов). Это позволяет поддерживать одинаковую температуру воды на входе в каждый котел и при необходимости исключать переток теплоносителя между контурами. Низкая температура подающегося в котел теплоносителя способствует конденсации водяных паров из продуктов сгорания и повышению КПД системы. Некоторые каскадные контроллеры для котлов с модулируемыми горелками оснащены функцией «выдержки времени», то есть способны включать циркуляционный насос определенного котла незадолго до включения горелки. Также они могут поддерживать работу насосов некоторое время после выключения горелки. Первое обеспечивает нагрев теплообменника котла теплым подающимся теплоносителем системы, что предотвращает тепловой удар вследствие значительного перепада температур (и конденсацию топочных газов для обычных котлов) при зажигании горелки. Второе - утилизировать остаточное тепло теплообменника, а не отводить его через систему вентиляции после окончания работы котла. И, в-третьих, очень важно, чтобы циркуляционные насосы обеспечивали адекватный поток теплоносителя через работающие котлы, независимо от показателя расхода системы. Близко расположенные Т-образные сочленения (рис. 2) или коллекторы с малыми перепадами давления (рис. 3) обеспечивают отведение потока от потока системы для обеспечения адекватного потока котла независимо от изменений расхода в распределительной системе. Близко расположенные Т-образные трубные сочленения на первичном/вторичном контуре используются для «снятия» перепада давления контуров.

Модулируемое управление
Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциа льное регулирование) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает ее с расчетным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить. Для управления каскадом котлови достижения экономичного расхода топлива необходимо использовать специальную автоматику. Один из котлов каскада выполняет роль «ведущего» и включается в первую очередь, остальные - «ведомые» - подключаются по мере необходимости. Автоматика управления позволяет передавать роль «ведущего» от одного котла к другому, а также осуществлять очередность включения «ведомых» котлов и температурные дифференциалы включения каждой последующей ступени. При возникновении неисправности ведущего котла осуществляется автоматическая смена приоритета. Если запрос на тепло не приходит ни от одной из зон, регулятор выключит все котлы, а при поступлении сигнала требования запустит их в эксплуатацию. После отключения последнего котла циркуляционный насос выключается с выдержкой времени. В большинстве систем «модулируемого» каскада способ контроля другой. Как правило, контроль направлен на максимизацию времени работы котлов в низком температурном диапазоне и при неполной мощности. Хотя разные производители предлагают разные системы управления, общепринятый подход следующй: включение котла, далее модулирование его работы до уровня теплопроизводительности, удовлетворяющей необходимой нагрузке. Если понадобится дополнительная подача тепла, теплопроизводительность первого котла значительно снижается, включается второй котел, и далее происходит соответствующее модулирование теплопроизводительности обоих котлов для удовлетворения требуемой нагрузки. Такая схема обеспечивает работу обоих котлов при более низких показателях теплопроизводительности, а значит, в более щадящем режиме, в отличие от работы одного котла на полной мощности. Это повышает площадь поверхности теплообмена, и следовательно, повышается вероятность конденсации водяных паров из продуктов сгорания, а также КПД системы. Предположим, что нагрузка продолжает возрастать и два котла, работающих при сравнительно высоком уровне теплопроизводительности, не могут удовлетворить ее условиям, тогда второй котел снижает расход топлива, включается третий и происходит параллельное модулирование теплопроизводительности второй и третьей ступеней. В некоторых системах первый котел способен также снижать расход топлива при активированных остальных ступенях, следовательно, все три ступени мощности могут регулироваться параллельно.

Рабочие режимы
Большинство каскадных контроллеров способны работать, по крайней мере, в двух рабочих режимах. В режиме отопления осуществляется погодозависимый принцип регулирования, то есть заданное значение температуры подающегося в систему теплоносителя зависит от внешней температуры. Чем ниже внешняя температура, тем выше заданное значение температуры подающегося теплоносителя. Эта система устраняет необходимость использования смесителя между котлом и потребителями отопления. В режиме ГВС осуществляется программное регулирование системы, когда заданное значение температуры подающегося теплоносителя не зависит от внешних температур. Другими словами, задается определенное, достаточно высокое значение температуры, что обеспечивает высокий уровень теплопередачи через вторичный теплообменник. Такой режим обычно используют для обеспечения более высокой температуры теплоносителя, подающегося через теплообменник к потребителям ГВС и системам антиобледенения. Модулирование мощности котла приводит к существенному уменьшению дифференциала между требуемой и реальной температурами теплоносителя, что предотвращает частое «тактирование» (включение/ выключение) котла. Некоторые контроллеры также отвечают за работу главного циркуляционного насоса и связаны с системой диспетчеризации инженерного оборудования здания.

Небольшой, тихий и мощный
Отношение физических размеров к теплопроизводительности некоторых котлов с модулируемыми горелками поистине впечатляет. Например, отдельные производители предоставляют восьмиступенчатые системы «модулируемого» каскада с диапазоном теплопроизводительности 30–960 кВт. Следовательно коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 32:1. Такая система может размещаться в помещении небольшой площади. Дополнительное преимущество - малошумность системы. Современное поколение маломощных котлов с модулируемыми горелками обеспечивает экономию площади помещения, высокий КПД, тихую работу и надежность. Это идеальное решение в низкотемпературных системах, такие котлы идеально подходят для напольного отопления, системы антиобледенения, обогрева бассейна, системы ГВС, а также системы тепловых насосов, в т.ч. геотермальных. Они уже завоевали позицию в области отопления частных домов. Как часть каскадной системы, котлы с модулируемыми горелками представляют собой новую альтернативу системам промышленного отопления.

Каскадное подключение котлов - это эффективный технический прием для увеличения единичной мощности отопительного аппарата, который на протяжении многих лет используется специалистами-теплотехниками. Концепция приема проста: разделяем суммарную тепловую нагрузку между двумя или более независимо контролируемыми котлами и включаем в каскад только те котлы, которые удовлетворяют потребности в данной нагрузке в определенное время. Каждый котел представляет свою «ступень» теплопроизводительности в общей мощности системы. Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно отслеживает температуру подачи теплоносителя и определяет, какие ступени системы следует включать для поддержания заданной температуры.

Обычно для примеров рассматриваются простые схемы подключения отопления и горячего водоснабжения с одним газовым котлом, подобранным из условий его максимальной нагрузки. На самом деле практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% времени мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности, будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В таком случае эффективным решением является каскадное подключение котлов.

Пример каскадного подключения трёх котлов

Обычно для примеров рассматриваются простые схемы подключения отопления и горячего водоснабжения с одним газовым котлом, подобранным из условий его максимальной нагрузки. На самом деле практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% времени мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности, будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В таком случае эффективным решением является каскадное подключение котлов.

1. Котёл;
2. Гидравлический разделитель.

Каскад котлов плавно обеспечивает работу котельной на необходимой мощности (в широком диапазоне) независимо от времени года за счет последовательного подключения одного за другим нескольких «малых» котлов. При помощи каскадного регулирования с программным управлением решается проблема определения оптимального соотношения мощности котельной и системы отопления. Таким образом, в межсезонье и в условиях теплых зим каскадная котельная может длительно работать при низких температурах теплоносителя, что уменьшает расходы на теплоизлучение и периоды режимов ожидания системы. При этом улучшаются температурные условия объекта, т.е. комфорт пользователя.

Обычно для примеров рассматриваются простые схемы подключения отопления и горячего водоснабжения с одним газовым котлом, подобранным из условий его максимальной нагрузки. На самом деле практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% времени мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности, будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В таком случае эффективным решением является каскадное подключение котлов.

Однако, при увеличении числа котлов в каскаде, увеличиваются потери тепла через теплообменники и корпуса неработающих котлов. Поэтому обычно рекомендуется ограничивать число котлов в каскаде четырьмя единицами.

К недостаткам каскадного подключения можно отнести то, что установка нескольких котлов небольшой мощности и установка дополнительных компонентов для управления каскадом, увеличивает стоимость системы отопления и требует больше места, чем для установки одного мощного котла, а также усложняется подключение каскада к дымоходу.

Как видно из рисунка, в данную схему включено дополнительное устройство – гидравлический разделитель. Разберёмся, что это за устройство и для чего оно применяется?

Гидравлический разделитель (стрелка) является современным элементом системы отопления. Он предназначен для разделения первичного (теплогенераторов) и вторичного (потребителей) контуров, создавая зону снижения гидравлического сопротивления. Таким образом, расход теплоносителя в обоих контурах будет полностью зависеть только от производительности соответствующих циркуляционных насосов, взаимное влияние которых при этом исключается.

Гидравлический разделитель (стрелка) обеспечивает гидравлический баланс (а, следовательно, и температурный баланс) двух контуров. При использовании гидравлического разделителя расход теплоносителя во вторичном контуре обеспечивается только при вклю¬чении соответствующего циркуляционного насоса, что позволяет системе реагировать на тепловую нагрузку в данный момент вре¬мени. Когда насос вторичного контура отключен, циркуляция в нем отсутствует и вся вода, циркулирующая под воздействием насоса первичного контура, перепускается через гидравлический разделитель. Таким образом, при использовании гидравлической стрелки в первичном контуре можно поддерживать постоянный расход теплоносителя, а во вторичном контуре – эффективно регулировать его в соответствии с тепловой нагрузкой. В современных системах отопления данная функция является стандартной.

Предлагаемый к продаже готовый гидравлический разделитель выбирается по каталогу в зависимости от требуемой мощности котла (кВт) и максимального протока теплоносителя в системе (л/час).

Во время отопительного сезона и межсезонного периода любая отопительная систему имеет тенденцию к неравномерной и часто малой нагрузке оборудования. Данная проблема нуждается в решении, где появляется необходимость в широком диапазоне регулировки мощности тепла отдельного котла, и котельной системы. Но это часто приводит к понижению эффекта работы котельной установки, снижения КПД, увеличению расхода горючего сырья. Каскадные котельные (рис 1) представляют оптимальное решение проблемы.

Каскад – подключение, которое подразумевает соединение небольших отопительных агрегатов в одну систему.

Принцип работы каскадной установки

Малые котлы, имея программное управление, проходят процесс подключения в одну систему через теплоноситель. Это дает возможность плавно, и бесступенчато регулировать мощность всей котельной системы. Данное котельное оборудование использует информативные технологии, которые позволяют идеально контролировать систему во время работы.

Благодаря интерфейсу, которым наделены новые агрегаты, котлы обмениваются информацией между собой. Это дает возможность в моментальном доступе к параметрам каскада.

Работа системы протекает самостоятельно, нет необходимости во вмешательстве человека. Каскадные котельные – ответ на требования пользователей, а именно потребление тепла и горячей воды.

К примеру, при установке 10 газовых котлов с мощностью каждого в 80 кВт, общая мощность составит 800 кВт (10 * 80 кВт = 800 кВт), а минимум мощности будет 26 кВт (800 * 3,3 / 100 = 26 кВт при регулировке мощности 40 %– 100%).

Преимущества данных отопительных установок:

• возможность получения мощности до 1мВт;
• диспетчеризация;
• незагрязняющее среду оборудование является важным экологическим аспектом;
• финансовая привлекательность;
• экономия в пользовании;
• полная автономия;
• размещение в любом месте (крыша, помещение, пристройка);
• быстрый монтаж подготовленного оборудования и установок;
• долгий срок службы;
• отсутствие сооружения больших и неэстетических внешних тепловых трасс;
• дистанционное управление.

Традиционные котельные системы уступают каскадной котельной в сроке службы. Достижение такой надежности заключается в общей работе нескольких агрегатов, работающих совместно и направленных на одну общую цель. Рабочая система запрограммирована так, что каждый день запуск всего отопительного оборудования берет на себя очередной котел: сегодня работу начинает первый котел, а завтра он будет последний в списке очередности. Поэтому, ресурс каждого котла не исчерпаем.

Подключение бойлеров для получения горячей воды, кроме главного агрегата, в быту так же является преимуществом каскадной котельной. Соответственно, имея 10 котлов в системе, можно поставить 9 бойлеров. Даже небольшие объемы каждого бойлера дадут в сумме огромный запас воды.

Размещать котельную систему можно где угодно, это не принципиально: чердак, подвал, пристроенное помещение. Программное обеспечение управления котельной (рис 2) системой контролирует заданную температуру на конкретный промежуток времени. Необходимое количество агрегатов привлечено для поддержания нужной мощности. Ошибка не произойдет, так как «человеческий фактор» отсутствует.

Климат-контроль помещений обеспечивается полностью и автономно. В случае превышения температурных показателей, программа сама отключит систему и, если есть необходимость, запустит работу кондиционирования. При заниженном температурном показателе все совершается абсолютно наоборот. Диспетчер, с помощью модема, с собственного компьютера сможет отслеживать, в каком состоянии находиться оборудование.

Где и как поместить оборудование?

Все зависит от особенности здания. Каскадная котельная имеет несколько вариантов размещения, все они имеют преимущества и недостатки.

Главные требования:

• место под отопительное оборудование должно иметь достаточную площадь;
• наличие вентиляционной системы;
• оборудование отвода продуктов сгорания.

Если дом позволяет, то чердачное место – идеальный вариант. И жилая площадь экономится, и не появится необходимость в постройке высокого дымоотвода.

С каскадной котельной на крыше не сравниться любая другая система. Каскад из настенных котлов, в отличие от стационарных напольных агрегатов, имеет малый вес, легкий в доставке и монтаже. Не нужно их поднимать, используя специальные краны, нет необходимость в разборке покрытия крыши во время замены котлов. В случае поломки или неисправности, агрегат заменяется быстро без дополнительных затрат сил и времени.

Небольшой вес котельной системы, размещенной на стене, не является дополнительной нагрузкой на перекрытие постройки. Газы можно отводить через стену наружу, где и закреплены котлы. Все это дает возможность экономии на постройке дорогой нержавеющей стальной дымоходной системе.

Котельная система может размещаться и в помещении, где понадобиться оборудовать дымоход. Дымовая труба должна быть полностью готова к отводу всего объема газов. Расчет делается на компьютерной программе. Проблеме вывода газов, зачастую, уделяют мало внимания. Но это очень важный аспект. Обычно в расчет берется предположительные нормы.

Главное требование – это соединение отдельно каждого котла с отдельной трубой дымохода.

Дымоход (рис. 3) каскадной котельной должен:

• Использовать дымоход, либо трубу круглым сечением.
• Установка дымохода должна быть под уклоном 1:10 к стороне котельного отопительного агрегата.

Не зависимо, в каком состоянии объект, дымоходная система должна быть всегда рассчитана точно. Старого типа котлы на твердом топливе имеют достаточно широкий дымовой канал. Эта ширина позволяет нормальному выводу нескольких дымоходов даже без квадратного сечения. Эффективность тяги зависит от того, насколько сооружен дымоход в высоту. Чем выше – тем лучше тяга и процесс смешения газов с воздухом.

Для хорошей работы каскадной котельной и всего котельного оборудования, нужно проводить контроль температурных изменений дымовых показателей в дымовой трубе. Это процедура позволить определить процесс конденсации в дыме. Самый результативный показатель на выходе дыма из трубы, там и нужно проводить измерение.

Проектирование такой котельной системы требует большого внимания. Расчет лучше поручить специалисту, чтобы избежать завышенных параметров или недостаточного получения теплового комфорта. Правильный расчет – залог эффективной работы котельного отопления, экономия средств, достаточного количества тепла в помещениях. Особого внимания требует система на твердом топливе. Часто, именно такие каскадные системы и имеют завышенную тепловую мощность.

Закрепить настенные котлы поможет несущая рама (рис 4). Крепиться конструкция и за стену, и в пол. Используются стены только несущие, а не непрочные перегородки. На раму крепятся котлы.

Чтобы каскадная система функционировала правильно, отопительные контуры и котлы должны быть отделены между собой. Это необходимо потому, что расходные объемы воды изменяются от количества котла. В этом поможет гидравлический компрессор динамического давления. Так же понадобиться присутствие стандартизированного гидравлического отсекателя, скомплектованного с коллектором на нужное количество единиц котлов.

Котлы размещаются в единый ряд. Возможно размещение котлов и в два параллельных ряда (задней стороной друг к другу), в случае монтажа каскадной котельной посреди помещения.

При установке бойлеров для горячего водоснабжения, оборудование ежедневно активирует систему антизамерзания. Переходя с зимнего на летний режим использования, ежедневно автоматически запускаются системные насосы, осуществляя прогон теплоносителя системой.

Вентиляция – важный аспект. Любое отопительное оборудование обязано иметь вентиляционную систему. Она должна подавать воздух в котельное помещение для горения котлов, быть интенсивной и влиять на температуру воздуха внутри самого котельного устройства. Воздух, сжигающий продукты сгорания, поступает через дымоход. Но во время расчета системы, нужно учитывать и то, что часть тяги должна находиться в резерве для воздушного привода и сгорания. При не работающей котельной системе, стоить обеспечивать естественную вентиляцию помещения, с помощью окон, дверей. Это даст возможность обмену воздушными массами помещения с улицей.