Высокая энергоэффективность современных каскадных котельных обусловлена гибким режимом работы, при котором расходуется ровно столько топлива, сколько нужно для отопления и ГВС. Благодаря автоматизированной системе управления каскадом и погодозависимой автоматике (сегодня их предлагает большинство производителей котельного оборудования), каскадные котельные допускают большой диапазон модуляции мощности и снижают нагрузку на каждый из котлов, тем самым увеличивая долговечность их работы.

В каскадных котельных теплоноситель нагревается несколькими котлами напольного или настенного исполнения, которые подключены последовательно. В зависимости от тепловой нагрузки эти котлы могут работать как вместе, так и поочередно. К достоинствам каскадных систем нужно, во-первых, отнести возможность гибкого варьирования мощности. Так, например, каскадная котельная на базе трех котлов с двухступенчатыми горелками может работать на шести различных ступенях мощности. Это позволяет более точно подстраивать тепловую производительность системы в соответствии с суточными, сезонными и другими изменениями нагрузки и более эффективно обеспечивать объект теплом. Во-вторых, каскадные котельные характеризуются высокой надежностью: при выходе из строя одного котла или при проведении регламентных профилактических процедур котел можно отключить для замены или чистки без остановки всей системы. В зимний сезон бесперебойность работы системы позволит избежать ее замораживания. В-третьих, при поочередном включении котлов, когда котельная функционирует с неполной тепловой нагрузкой, увеличивается общий ресурс котлов, поскольку контроллер, управляющий работой каскада, включает котлы в такой последовательности, чтобы их ресурс вырабатывался равномерно. К другим достоинствам каскадных котельных можно отнести массогабаритные преимущества используемых агрегатов: детали и блоки котлов меньшей мощности, как правило, меньше по размерам и легче по весу, заменить их в случае неисправности значительно проще (к тому же они дешевле за счет большей серийности производства). К недостаткам каскадных систем можно отнести расходы, связанные с приобретением дополнительного оборудования (каскадного контроллера, запорных и обратных клапанов, циркуляционных насосов, газового коллектора, дополнительных труб для обвязки и общего дымохода и пр.), а также расходы, связанные с установкой нескольких котлов и монтажом более сложных гидравлической и дымоотводной систем. Но ввиду того, что многие производители предлагают типовые решения для создания каскадных котельных (гидравлические модули, дымоходные системы, а для установки настенных котлов - нередко и рамы с полностью готовой трубной обвязкой), монтажные и пусконаладочные работы сегодня не создают больших сложностей.

Устройство каскадной котельной и ее компоненты

Количество, тип и мощность котлов, которые будут использоваться в каждом конкретном каскаде, необходимо определять с учетом потребления объектом тепла в зависимости от времени года и суток. В некоторых случаях приходится принимать во внимание и другие факторы, которые могут привести к изменению режима потребления тепла. Также необходимо учитывать размер помещения, где будет размещена котельная, и финансовые возможности заказчика.

Сегодня в ассортименте всех основных производителей котельного оборудования представлено несколько серий котлов, которые могут объединяться в каскады. Традиционно занимавшие нишу бытового теплоснабжения настенные газовые и газовые конденсационные котлы сегодня могут быть использованы для отопления промышленных объектов: на рынке представлены настенники мощностью сто и более киловатт, что позволяет формировать на их основе котельные мегаваттных значений. Как правило, каскадные системы состоят из двух, трех или четырех котлов, управляемых единым каскадным контроллером, но встречаются котельные, где работает 8 или 16 агрегатов. Так, серия настенных конденсационных котлов Rendamax R40 (6 моделей номинальной мощностью от 45 до 150 кВт, рис. 1) при каскадном подключении восьми агрегатов позволяет создавать каскадные установки мощностью до 1080 кВт. Котлы оснащены двухтрубчатым теплообменником из нержавеющей стали со встроенной спиралью для предотвращения пристеночной накипи и горелкой с функцией непрерывной электронной плавной модуляции пламени. Среднегодовой КПД котлов достигает 106,2 %, максимальное рабочее давление - 8 бар, максимальная температура - 90 °С. Котлы, работающие в каскаде, обычно размещают в один ряд или устанавливают «спиной к спине».

Каждый котел, входящий в каскад, необходимо оборудовать отдельными вентилями подающей и обратной линий, газовым краном. С их помощью вышедший из строя котел можно отключить от гидравлической системы без остановки котельной. Так же каждый котел оснащают отдельными краном для заполнения и слива воды и механическим фильтром, обратным клапаном. Для того чтобы съем тепла с котлов и их охлаждение осуществлялись равномерно, каждый котельный контур рекомендуется оборудовать индивидуальным циркуляционным насосом.

Как правило, дымоходы котлов каскадной системы сводят в общий дымоходный канал, расположенный в помещении котельной. Он присоединяется к основной дымовой трубе здания. К одному дымоходному каналу можно подключать дымоходы не более, чем от четырех котлов. При проектировании дымохода для каскадных котельных необходимо руководствоваться СП 42-101-2003 «Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб».

Для упрощенного монтажа каскадных котельных ряд производителей, например компания Navien (Корея), предлагает гидравлические модули - готовые гидроузлы, смонтированные на несущей стальной раме, которые рассчитаны на 4 или 8 котлов и включают циркуляционные насосы, трубную разводку радиаторного и напольного отопления и все необходимые контрольно-измерительные приборы. Модули Navien оснащаются встроенной автоматикой погодозависимого управления; сервоприводы и датчики подключены к каскадному контроллеру, на котором температурные графики, временные программы и параметры контуров выставляются индивидуально для каждого котлоагрегата. При работе с газовыми и газовыми конденсационными настенными котлами Navien, под габариты и присоединительные размеры которых разрабатывались данные инсталляции, практически полностью устраняются все возможные ошибки при проектировании, монтаже и пусконаладке котельной.

Гидравлический разделитель

Обычно гидравлическая система каскадных котельных включает несколько котельных (первичных) и несколько отопительных (вторичных) контуров, разделенных коллектором. Все первичные и некоторые вторичные контуры оснащаются отдельными насосами. Режимы работы насосов отопительных контуров определяются потребностью объектов в тепле, и согласовать их с режимами работы насосов котельных контуров довольно сложно. Это может привести к следующим негативным последствиям:

Снижению производительности и даже выходу насосов из строя (под действием более мощных насосов);

Работе системы отопления в условиях, отличающихся от расчетных и, как результат, снижению качества теплоснабжения объекта, дополнительному расходу энергии, выходу из строя элементов системы, ее разбалансировке;

Повышению уровня шума при увеличении скорости движения воды.

Для того чтобы этого не происходило, большинство производителей котельной техники настоятельно рекомендует оборудовать каскадные системы гидравлическим разделителем (гидравлической стрелкой). Это устройство разделяет котельные и отопительные контуры и снижает перепад давления на коллекторе почти до нуля. Также в гидравлическом разделителе может происходить подмешивание воды подачи к обратной воде и наоборот. Такая необходимость может возникнуть, например, когда нужно понизить температуру теплоносителя, поступающего в низкотемпературный контур. Гидравлические разделители рекомендуется использовать, если расчетная разница между давлением на входе и выходе коллектора превышает 40 мбар. В некоторых случаях (конденсационные котлы, подключенные в каскад, наличие смесительного контура и др.) их использование является обязательным.

Управление каскадной котельной

Относительно простые каскадные системы (небольшое количество котлов и отопительных контуров, постоянная тепловая нагрузка) могут управляться без применения каскадного контроллера. Для этого на каждом котле достаточно установить требуемую температуру выходной воды. Для управления сложными отопительными системами (три или более котлов, несколько отопительных контуров, работающих в разных температурных режимах, тепловая нагрузка, меняющаяся на протяжении суток) необходимо использовать каскадные контроллеры.

Современные каскадные контроллеры обладают большим количеством функций, и к ним можно подключать самые различные дополнительные устройства: температурные датчики, насосы, приводы смесительных клапанов и другие устройства. Одной из основных функций контроллера является обеспечение такого режима, при котором время работы всех котлов, входящих в каскад, было бы одинаковым. Для этого в прошивку контроллера вводят таблицы ротации, определяющие порядок включения котлов во время определенного периода времени. Если каскад состоит из котлов с модулируемыми горелками, контроллер включит столько приборов, чтобы их суммарная мощность превышала существующую нагрузку. В результате горелки будут работать на частичной мощности, тепловая нагрузка на детали котлов снизится, и их технический ресурс будет вырабатываться медленней.

Каскадные котроллеры подключаются к разъемам, предназначенным для присоединения индивидуальных комнатных термостатов, или к специальным разъемам. Как правило, их устанавливают на один из котлов (ведущий). Управление другими котлами (ведомыми) контроллер осуществляет через коммуникационные шины (например, через шину LON). Через специальные коммуникационные модули к контроллеру можно подключать блоки управления отопительными контурами. Некоторые модели каскадных контроллеров могут одновременно регулировать температуру в нескольких десятках отопительных контуров.

Необходимо отметить, что стоимость каскадных контроллеров колеблется от 500 до 1800 евро, стоимость различных приборов, используемых для управления котельной (приводы, температурные датчики, коммуникационные модули и т. д.), - от 40 до 300 евро. Соответственно, стоимость полной автоматизации даже относительно простой каскадной котельной может составить несколько тысяч евро.

Каскадные системы с конденсационными котлами

Традиционно при определении КПД котла сравнивают выделяемое им тепло и низшую теплоту сгорания топлива (ее принимают равной 100 %). В конденсационных котлах для получения дополнительной тепловой энергии используется тепло, которое выделяется при конденсации водяного пара из дымовых газов и утилизируется специальным теплообменником. Количество тепла, выделяемое при конденсации пара, в первую очередь будет зависеть от температуры обратной воды (теплоносителя). Для обеспечения устойчивости прохождения процесса необходимо, чтобы температура воды, поступающей в теплообменник, была ниже температуры точки росы (для природного газа - 57 °С) на 10-15 °С. При соблюдении этого условия КПД котла может достигать 109 %.

Конденсационные котлы обладают рядом достоинств. Во-первых, их оборудуют модулируемыми горелками. У мощных конденсационных котлов в камере сгорания создается высокое избыточное давление, и они не зависят от колебаний тяги. Такие котлы могут без потери эффективности работать в диапазоне модулирования от 20 до 100 % мощности, и их производительность можно сверхточно подстраивать к изменениям тепловой нагрузки. Во-вторых, в дымовых газах конденсационных котлов содержится очень небольшое количество CO и NОx, и их можно эксплуатировать в крупных городах и природоохранных зонах. В-третьих, на всей протяженности дымоходов мощных конденсационных котлов создается избыточное давление. Такие агрегаты можно оснащать низкими дымовыми трубами небольшого диаметра.

Согласно заявлениям некоторых производителей, при благоприятных условиях для производства одного и того же количества тепла на протяжении длительного времени конденсационным котлам требуется на 35 % газа меньше, чем традиционным котлам. Соответственно, их использование в мощных каскадных системах позволит пользователю значительно сократить расходы, связанные с приобретением топлива. Однако приобретение и эксплуатация таких котлов связаны с определенными трудностями. Во-первых, конденсационные котлы отличаются высокой стоимостью, во-вторых, для эффективной работы им необходимо обеспечить подачу обратки с температурой ниже 45 °С. Наконец, работа конденсационных котлов сопровождается выделением большого количества конденсата, который необходимо утилизировать.

В странах Европы широкое распространение получили каскадные котельные, созданные на базе одного конденсационного (основного) и одного обычного (резервного) котла. Большую часть отопительного периода в котельной работает экономичный конденсационный котел. Обычный котел включается только для покрытия пиковых тепловых нагрузок или при временной остановке основного агрегата, связанной с его поломкой или проведением регламентных работ. Такая комбинация позволяет сократить стоимость котельной и снизить расход топлива.

Мощности современных конденсационных котлов напольного исполнения могут достигать нескольких мегаватт. Соответственно, на базе одного конденсационного и одного обычного котла можно создать каскадную котельную для теплоснабжения большинства крупных гражданских или промышленных объектов. В числе производителей, выпускающих конденсационные котлы промышленной мощности, можно назвать такие компании, как Bosch, De Dietrich, Ferroli, Unical, Viessmann и некоторые другие. Международный концерн Bosch является одним из немногих производителей, выпускающих трехходовые конденсационные котлы. В номенклатуре теплоэнергетического оборудования этой фирмы наиболее мощными конденсационными котлами являются серии SB745 и SB825. Линейка SB745 (рис. 2) включает три модели максимальной производительностью от 790 до 1200 кВт при температурном режиме 40/30 °С (или от 723 до 1098 кВт при температурном режиме 75/60 °С). Эти котлы оснащаются теплообменниками из нержавеющей стали и работают со сменными одно-, двухступенчатыми и модулируемыми вентиляторными горелками. Стандартизированный КПД составляет 109 %, максимальное рабочее давление - 5,5 бара. Серия трехходовых жаротрубных газовых конденсационных котлов SB825 включает 16 типоразмеров с максимальной полезной мощностью от 750 до 19 200 кВт. Данные котлы оснащаются съемными вентиляторными горелками. Стандартизированный КПД также может достигать 109 %, допустимое избыточное давление котлов составляет 6 или 10 бар (опция).

В ряду конденсационных котлов промышленной мощности интерес представляют котлы De Dietrich серии C 610 Eco (рис. 3), в основе которых - комбинация из двух котлов C 310 Eco. По сути дела это каскадная котельная в одном заводском корпусе, имеющая единую систему управления и общую системы дымоотведения. Серия включает 4 модели максимальной мощностью от 706 до 1146 кВт при работе в температурном режиме 50/30 °С (или от 654 до 1062 кВт при температурах на выходе-входе 80/60 °С). При максимальной мощности и температурном режиме 70 °С КПД котла составляет от 97,3 до 98,5 %, а при 20 % мощности и 30 °С - от 107,7 до 108,9 %.

Как видно из вышеприведенных данных, наиболее эффективно конденсационные котлы работают в составе низкотемпературных (40/30 °С) систем отопления (напольное или низкотемпературное радиаторное отопление, системы теплоснабжения технологических процессов и др.). В этом случае их КПД может достигать 109 %. В то же время даже в системах с достаточно высокой расчетной температурой обратной воды (от 50 до 70 °С) условия, при которых начинается конденсация, могут быть выполнены. Практика показывает, что в котлах, установленных в средней полосе России и управляемых погодозависимой автоматикой, среднегодовой КПД может составить от 100 до 104 %. Также достаточно низкую температуру обратной воды можно обеспечить, если хотя бы один отопительный контур системы является низкотемпературным и его мощность превышает 15 % мощности всей системы. В этом случае обратную воду из этого контура нужно подмешать к общей обратной линии или направить ее непосредственно на конденсационный теплообменник котла (в некоторых моделях конденсационных котлов гидравлические контуры основного и конденсационного теплообменников имеют раздельное подключение).

Система с попутным движением теплоносителя

Если расход теплоносителя не соответствует мощности котла (ниже требуемого), то агрегат не сможет стабильно работать и его горелка будет «тактировать» - слишком часто включаться и выключаться. Каждое включение горелки сопровождается повышенной эмиссией вредных веществ, резким увеличением механической и тепловой нагрузок на различные элементы горелки (это ускоряет износ этих элементов), дополнительным расходом энергии на продувку камеры сгорания, подогрев жидкого топлива и т.д. Поэтому съем тепла со всех котлов, работающих в каскаде, должен осуществляться равномерно, в соответствии с их мощностью. Охлаждение котлов обратной водой из системы отопления тоже необходимо осуществлять равномерно. В противном случае может возникнуть ситуация, когда один котел, входящий в каскад, будет перегрет, а другой охлажден до температуры ниже точки росы. При этом в нем может начаться конденсация водяных паров (из продуктов сгорания).

В каскадной котельной, где используются котлы равной мощности, съем тепла и охлаждение котлов будут осуществляться равномерно только в том случае, если через них будет проходить равное количество теплоносителя. Для этого необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление всех параллельных контуров было одинаковым. Особенно важно выполнить это условие в каскадах, где используются котлы с небольшим объемом воды. Для выравнивания гидравлического сопротивления рекомендуется использовать гидравлический разделитель и оснащать каждый котловой контур насосом. Если по какой-либо причине сделать это не удается, равный расход теплоносителя можно обеспечить, используя систему с попутным движением теплоносителя. В западной литературе ее называют схемой Тихельмана. В этом случае длины всех котловых контуров будут равными, а разница между их гидравлическим сопротивлением окажется незначительной. Это позволит выравнять расход воды котлов, работающих в каскаде.

Статья из журнала «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ» (№ 2/29 2015)

Одной из первых организацию работы котлов по каскадной схеме разработала и воплотила в жизнь фирма Thermona из Чехии. Затем, видя неоспоримую экономическую выгоду от применения каскадов, данный принцип совместного использования нескольких настенных газовых котлов (преимущественно конденсационных) применили такие компании, как Viessmann, Baxi и др.

Так что же такое «каскад котлов»

Необходимо понимать разницу между каскадом котлов и параллельным их подключением, где каждый из котлов работает отдельно, но в одну систему отопления (вентиляции и др.). Это совершенно разные схемы. Каскад — это совместное гидравлическое и электрическое подключение нескольких котлов, объединенных единой системой управления, и работающих для обеспечения нагрева теплоносителя для одного и того же объекта.

Есть каскадные подключения, где управление происходит посредством плавной модуляции мощности — от минимальной одного из котлов до максимальной мощности всей котельной (как, например, у той же Thermona). Существует и другой подход — управление работой котлов посредством каскадного выключателя, который в процессе работы отключает несколько котлов или их включает, не используя возможности их индивидуальной модуляции.

Но, в любом случае, это система под единым управлением, получающая данные о необходимых температурах — «подачи» отопления и комнатной, а также имеющая возможность работать, используя данные датчика наружной температуры, то есть гораздо более гибкая и экономичная, чем один котел или параллельное включение группы котлов. В технике отопления схема «каскад» является поистине новаторским методом оптимизации систем большой мощности.

Вместо одного мощного котла, который вынужден работать и при незначительных теплопотерях объекта, в каскадном решении в разный момент времени работает столько котлов, сколько необходимо для компенсации моментальных теплопотерь объекта. Необходимое количество включенных котлов регулируется электроникой. Такая работа котельной как раз и обеспечивает оптимальный энергосберегающий режим.

Практика подтвердила, что в отопительный сезон отдельный котел используется в среднем на 30 %. Это малая нагрузка и, значит, неэффективная работа. В противоположность этому каскадная система обеспечивает необходимую мощность постепенно, подключая один за другим несколько «малых» котлов вместо одного большого. С помощью каскадного регулирования с программным управлением устраняются неприятные проблемы с определением оптимального соотношения мощности котельной к уровню потребления тепла.

Широкий диапазон управления мощностью каскада позволяет системе работать длительное время при низких температурах отопительной воды, что уменьшает расходы на тепловое излучение. Повышается тепловой комфорт пользователя. Неоспоримым шагом вперед является выделение из состава каскадной котельной одного или нескольких котлов для подготовки горячей воды. Эти котлы работают в летнем режиме, без использования основной массы оборудования, предназначенного только для отопления.

В то же время, котлы с возможностью работы по выдаче горячей воды, при отсутствии необходимости в ней, обслуживают и систему отопления. Данная особенность позволяет по-новому взглянуть на определение суммарной необходимой мощности котельной при условии возможной аккумуляции горячей воды в бойлерах косвенного нагрева.

Технические особенности «каскадной котельной»

Значительным шагом вперед в истории развития каскадных котельных стала система коммуникации между котлами посредством не каскадного переключателя, а устройствами коммуникации (интерфейсами), позволяющими обмениваться информацией между котлами и одновременно плавно регулировать мощность всех котлов в каскаде.

Это позволяет не только достигать оптимальных параметров мощности в каждый момент работы, но и получать моментальный доступ к информации о состоянии всей котельной и параметрах ее работы, а также диагностировать неисправности котлов и другого оборудования. Современная каскадная котельная — это действительно «интеллектуальная система» с полностью автономным режимом работы без обслуживающего персонала.

Техническое решение каскадной котельной имеет оптимальную цену, продуманное программное обеспечение и широкие возможности применения. В связи с тем, что в разные моменты времени может работать любое количество котлов из входящих в систему каскадной котельной, и существует необходимость установки основного насоса отопления, производительность которого превышает возможности котлового насоса, между контуром каскада и насосом отопления требуется установка гидравлического разделителя.

Заводы изготовители котельных предлагают свои размеры и конфигурации гидравлических разделителей и при монтаже котельных к требованиям производителей обязательно надо прислушиваться. В противном случае неправильно подобранный гидравлический разделитель (или неправильно установленный) может нарушить всю работу котельной. Необходимыми элементами в работе каскадной котельной являются температурные зонды, измеряющие температуру на «подаче», датчики и регуляторы.

Система продумана так, что температура на выходе из котельной может поддерживаться с точностью до 1 °C, что немаловажно для таких систем, как приточная вентиляция. Каскадная котельная настолько экономична, что в некоторых случаях окупает вложения уже через один-три месяца. Принцип погодозависимого регулирования температуры теплоносителя в каскадной котельной дает возможность экономить до 30 % газа или электричества.

Для этого необходимо встроить в систему управления датчик наружной температуры. Современные устройства GSM-дозвона, светозвуковой сигнализации, а также интернет-коммуникации позволяют легко отслеживать состояние котельной. Самый простой способ организации каскада — это применение в комплектации только интерфейсов коммуникации, без использования интерфейса управления, программатора и датчика наружной температуры.

Такая схема может быть востребована, когда каскад подает теплоноситель одной и той же заданной температуры (например, 75-80 °C). Такая комплектация системы приемлема при подготовке теплоносителя для теплообменника бассейна. В случае более сложной организации теплоснабжения применяются программаторы, которые дают возможность поддерживать заданную температуру в помещении, отображать состояние котельной, оповещать об аварийных остановках котлов.

На сегодняшний день разработаны щиты управления каскадами, которые сочетают в себе все необходимые функции контроля за состоянием оборудования котельной, регулировки температур в различных контурах отопления и передачи данных в интернет. Такие системы управления являются передовыми разработками в области современной диспетчеризации котельных. В каскадной котельной различные производители объединяют разное количество котлов.

Поэтому максимальные мощности котельных необходимо уточнять у представителей завода-изготовителя. Но в отдельных случаях в одном помещении котельной может находиться два и более каскадов.

Условия размещения

Достоинство каскада из настенных котлов в том, что он может размещаться в любом разрешенном месте (пристроенная, встроенная, отдельно стоящая, крышная котельная и др.). Очень удобно ставить каскад в крышной котельной. Незначительная масса основного оборудования, малое количество теплоносителя, возможность принудительного отвода дыма от каждого котла дешевой дымовой трубой заводского изготовления — вот те преимущества каскада из настенных котлов по отношению к одному-двум стационарным котлам, установленным на крыше.

Были случаи, когда приходилось добавлять каскад из настенных котлов к котельной из двух стационарных по причине превышения предельной массы и необходимости обеспечения заданной тепловой нагрузки. Немаловажен и вопрос ремонта и замены оборудования в процессе эксплуатации. Безусловно, заменить стационарный многотонный котел, установленный на крыше многоэтажного дома, гораздо сложнее, чем отремонтировать или заменить настенный котел, максимальная масса которого не более 90-100 кг.

Котлы в котельной могут устанавливаться «в линию» или «спина к спине». Второй способ уменьшает линейные размеры котельной в случае, если устанавливается большое количество котлов.

Потенциальные заказчики каскадных котельных

Котельные такого типа применимы во всех областях народного хозяйства. Но максимальное применение они находят в системах автономного теплоснабжения одного или группы объектов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга. Задача — не строить теплотрассу, которая, безусловно, имеет теплопотери и нуждается в периодическом обслуживании и замене линейных элементов.

Неоспоримо выгодны каскадные котельные для гостиниц, ресторанов, частных домов, автоцентров, больших и малых зданий магазинов. Одним словом — это котельные для тех, кто умеет считать деньги и для кого лозунги об энергосбережении и энергоэффективности не являются пустым звуком. Окупаемость такой системы составляет в среднем два-три года, а срок службы — 15-20 лет.

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.

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.

При снижении потребления тепла котлоагрегат будет производить количество тепла, находящееся в этом диапазоне. Это количество не всегда требуется – излишек топлива будет сжигаться просто так.

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 . 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 (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 – (экспанзомат). Присоединение его может быть произведено как в контур котлов, так и в контур потребителей. Расчет его производится на общий объем теплоносителя в системе.

Выбор коллекторов котлов производится из расчета того, что их проходное сечение должно быть не меньше суммарного сечения подводящих трубопроводов котлов в каскаде. Гидравлическая стрелка также должна иметь диаметр патрубков подключения не меньше диаметра коллекторов.

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.

Дымоходы сооружаются с уклоном от 5 до 10% в сторону котлов. При сооружении дымовой системы для котлов с открытой камерой сгорания необходимо произвести аэродинамический расчет общего дымохода для обеспечения необходимой тяги.

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.

Каскад котлов (спарка) - схема организации котельной, которая в соответствии с новыми тенденциями рынка отопления стремительно набирает популярность в нашей стране. Данная схема может быть эффективна при применении разнообразного отопительного оборудования - газового, твердотопливного, жидкотопливного и других видов.

С использованием схемы каскадного подключения котельного оборудования может быть успешно реализована, как , так и осуществлен практически любых других Объектов недвижимости.

Принцип работы каскада котлов

Схема подключения котлов каскадом легко реализуема. При ней несколько единиц оборудоания соединяются между собой в единую синхронно работающую цепочку при помощи автоматизированной системы управления. Обычно спарка состоит не более чем из 5 элементов, но возможны и исключения.

Управление каскадом отопительных котлов, исходя из текущего рабочего режима, осуществляет автоматика. Она запускает те или иные единицы оборудования и определяет, на какие из них должна приходиться максимальная нагрузка.

Эта технология стала решением актуального вопроса, связанного с повышением эффективности использования отопительного оборудования высокой мощности и напольного варианта исполнения. Большую часть времени такое оборудование используется максимум на 50%. При каскадной схеме один мощный отопительный котел заменяется на несколько менее мощных соответствующей мощности, что позволяет существенно экономить.

Каскад газовых котлов Будерус

Для решения задачи каскадирования оптимально подходят отопительные котлы Buderus (Будерус) модельного ряда Logamax U 072. В настоящее время выпускается спектр этого оборудования мощностью от 12 до 35 кВт, что обеспечивает возможность их применения в помещениях практически любой площади. При этом мощность всего каскада котлов Будерус данной серии может достигать 175 кВ.

Данное оборудование изготовлено на новом заводе корпорации Bosch в Энгельсе (Саратовская область) и полностью адаптировано к российским условиям. При этом качество Logamax U 072 находиться на традиционно высоком для продукции немецких предприятий уровне. Изделие оснащено элементами системы управления, предназначенных для построения из данных котлов каскада. Комплектацией учтена автоматическая система Smile Honewell, отлично зарекомендовавшая себя на многих других линейка Будерус.

Кроме того, среди предложений производителя имеется оборудование, предназначенное для работы в спарке, мощностью до 1,6 МВт на базе конденсационного настенного котельного оборудоания Logamax + GB 172i и GB 162, оснащенных автоматической системой Logamatic МС400. Стоимость котельной спарки на базе данного оборудования относительно высока, но эффективность внедрения данного решения - очевидна.

Преимущества использования каскадов

• Экономичность (несколько небольших котлов в каскаде дешевле в эксплуатации, чем один мощный)

• Равномерное распределение нагрузки

• Увеличение надежности системы (при выходе из строя единицы оборудования остальные участники спарки оборудования продолжают работать, только с большей нагрузкой)

• Увеличение ресурса оборудования за счет снижения текущей нагрузки каждый котел в спарке. А также из-за отсутствия «тактования» - регулярного подключения и выключения при небольшой нагрузке

• Простота и удобство перевозки, монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Если на Вашем Объекте необходимо к организации котельная достаточно высокой мощности, то рекомендуем Вам рассмотреть возможность установки котлов каскадом, как один из возможных к применению вариантов.

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.