Тактование газового котла: физика, цена вопроса и порядок наладки

Комментарии специалистов ▾

Алексей Торопов член-корреспондент РИА, профессор, генеральный директор — главный конструктор завода «Ардерия»

Сергей Соловьёв руководитель отдела развития промышленной группы «Гермес»

Сергей Турута руководитель технического департамента «Термекс ГазПро»

Иван Архипов технический директор по бренду De Dietrich, «БДР Термия Рус»

Евгений Семёнов тренер по обучению ООО «ФБ Иннова компани»

Симптом, который заказчик описывает неправильно

Классическое описание проблемы звучит так: «котёл всё время щёлкает, дом холодный, газ сжирается». Приезжаешь: котёл исправен, ошибок нет, давление в норме, дымоход чистый. Горелка работает минуту-полторы, гаснет, через несколько минут загорается снова. Формально всё штатно, гарантийного случая нет. Именно поэтому тактование годами живёт на объектах: оно не ломает котёл сегодня, а понемногу съедает его ресурс и КПД.

Тактование — режим, при котором продолжительность работы горелки за цикл настолько мала, что доля переходных процессов (продувка, розжиг, выход на режим, остановка) становится сопоставима с полезной работой. Ключевое слово здесь не «часто», а «коротко».

Сначала о метрике: пуски в час сами по себе ничего не говорят

Самая распространённая ошибка в обсуждении темы: оперировать числом включений в час в отрыве от наработки. В мороз котёл может делать один пуск в час и работать 55 минут, и это идеал. В межсезонье при том же одном пуске горелка отработает 40 секунд, и это уже тактование в чистом виде. Информативная метрика — число пусков на час наработки горелки. Оба счётчика есть в сервисном меню практически любого современного котла, и их отношение сразу даёт объективную характеристику системы. 20 тыс. пусков при 650 часах наработки означают среднюю продолжительность горения меньше двух минут; обсуждать тут больше нечего. А 3500 пусков на 1700 часов дают цикл около получаса: система настроена хорошо.

Норматива «не более N пусков в час» в общедоступных руководствах, как правило, нет: производители нормируют не число циклов, а таймер антитактования и температурный дифференциал. Распространённый проектный ориентир — минимальное время горения 10 минут.

Что тактование при поквартирном отоплении неизбежно, в отечественной литературе показано давно: А. Л. Торопов в серии статей [1–3] прямо пишет, что конвекционный котёл в квартире работает в режиме «старт-стоп» и что этот режим не соответствует номинальным условиям, под которые завод даёт гарантию.

Насколько это типично для реального парка, в России никто не считал, поэтому за цифрами приходится идти к группе исследователей из Университетского колледжа Лондона (UCL), собравшей данные телеметрии более 200 бытовых газовых котлов в Великобритании и опубликовавшей в рецензируемом научном журнале BSER&T работу [4]. Медиана составила 53 пуска в сутки, среднее 93, а 70 % пусков в режиме отопления в среднем были короче 10 минут. Вывод авторов: большинство двухконтурных котлов имеют избыточную мощность, и располагаемого диапазона модуляции им не хватает, чтобы уйти от тактования.

Причин у коротких циклов немного, и дальше каждая разобрана по отдельности. Чтобы не держать их в голове, сведём всё в одну таблицу: что видно на объекте, чем это проверяется и куда смотреть дальше (табл. 1).

Табл. 1. Причины тактования: как распознать и что делать

Анатомия одного такта и цена вопроса

Цикл раскладывается на фазы: предпродувка (5–15 секунд по заводским уставкам), розжиг со временем безопасности в несколько секунд, стабилизация и прогрев холодного металла, работа, отключение с постпродувкой, выбег насоса (от 30 секунд до 12 минут).

Предпродувка и постпродувка вместе у типового бытового котла занимают 30–45 секунд [5]. Следует отметить, что весь прошедший через теплообменник воздух забирает тепло из котла и выбрасывает его в дымоход безвозвратно, в отличие от потерь через корпус, которые обычно рассеиваются внутри отапливаемого объёма. Арифметика простая: при десятиминутном горении 40 секунд продувки составляют около 7 % времени работы горелки, а при горении 90 секунд — уже 44 %.

В отчёте GASTEC [5] приведена зависимость КПД от продолжительности горения за цикл (табл. 2). Зависимость резко нелинейная (рис. 1): до определённого предела потери почти незаметны, дальше резко возрастают.

Табл. 2. Потери КПД в зависимости от продолжительности горения за цикл [5]
(контур 80/60 °C, база — высшая теплота сгорания)

Рис. 1. Потери КПД при укорочении горения: до трёх минут они почти незаметны, дальше резко нарастают — при горении 10 секунд КПД ниже почти на 12 пунктов [5]

Отдельно оценена энергия на прогрев массы котла при холодном пуске, около 0,26 кВт·ч; для котла 15 кВт это менее 2,5 % топлива при 45‑минутном горении и более трети при горении 2,8 минуты.

Влияние избыточной мощности изучали в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL, США), и в их отчёте [6] важны не столько проценты, сколько вывод: «штраф» за избыточную мощность пропорционален потерям простоя конкретного котла. При увеличении коэффициента запаса мощности с 2 до 3 стальной котёл с малыми потерями простоя терял 0,4 процентного пункта (п. п.) сезонного КПД, а чугунный с бойлером косвенного нагрева — 7,8 п. п.: разброс почти в 20 раз. Британская организация BRE в техническом документе к методике расчётной оценки энергетической эффективности жилых зданий (Standard Assessment Procedure, SAP 10) [7] приходит к тому же. При росте отношения мощности котла к расчётным теплопотерям с 1,8 до 12 в режиме 80/60 °C модулирующий котёл с полной погодной компенсацией теряет всего 1,5 процентных пункта, котёл on/off с компенсацией — 8,5 п. п., котёл on/off без компенсации — 13,1 п. п. Избыточная мощность сама по себе не критична: проблемой она становится в сочетании с примитивным управлением.

Важная оговорка. Результаты натурных исследований простой пропорции «больше пусков — ниже КПД» не показывают. Тот же отчёт GASTEC по 43 котлам [5] прямо указывает, что избыточная мощность сама по себе не даёт заметного тренда к снижению КПД ни у одноконтурных, ни у двухконтурных котлов. Исследование Немецкого федерального экологического фонда (DBU) [8], охватившее 58 конденсационных котлов, называет тактование одной из главных причин низких сезонных КПД, но действует оно там не напрямую, а через работу ниже диапазона модуляции и подъём «обратки» перепускными клапанами и стрелками.

Противоречия здесь нет. Потери резко нелинейны, пропорциональны потерям простоя конкретного котла, у конденсационной техники частично компенсируются усилением конденсации при холодной обратке, а в полевых выборках маскируются более сильным фактором, рабочей температурой контура.

Тактование опасно не само по себе, а в связке с высокими потерями простоя, отсутствием модуляции и высокотемпературным контуром.

Ресурс: считаем не в разах, а в циклах

Утверждение «тактование сокращает срок службы котла вдвое» не имеет прослеживаемого первоисточника, и ссылаться на него не стоит. Зато есть паспортные данные котлов, по которым можно посчитать самому.

Газовые клапаны ведущих производителей автоматики нормируются на количество циклов от 250 тыс. до 500 тыс., причём один из немецких изготовителей указывает ресурс прямо в форме «10 лет или 250 тыс. срабатываний — что наступит раньше». Слабое звено, однако, не клапан. Электрический ресурс силовых реле на платах управления при номинальной нагрузке составляет порядка 100 тыс. коммутаций. При 53 пусках в сутки за сезон в 220 суток набегает около 11 700 циклов, то есть ресурс реле вырабатывается за 8–9 сезонов. Календарные 10 лет, отведённые газовому клапану, истекают примерно тогда же, так что при интенсивном тактовании обе позиции подходят к границе ресурса практически одновременно, а не «когда-нибудь потом». Оценка порядковая: часть пусков приходится на ГВС, а группы контактов на плате коммутируются по-разному.

Другой механизм износа — термическая усталость металла теплообменника. Национальный совет инспекторов котлов и сосудов под давлением (NBBI или National Board, США) [9] описывает для жаротрубных котлов цепочку «избыточная мощность → циклический режим → знакопеременные напряжения → усталостное разрушение», и приведённая там цифра работает как аргумент в пользу модуляции: напряжения на малом пламени составляют 30–35 % от напряжений при полной мощности.

Эти данные получены на промышленных жаротрубных агрегатах с трубными решётками и сварными швами, и переносить их на бытовые котлы один к одному нельзя. Но сам механизм для тонкостенных теплообменников настенных котлов (литых алюминиево-кремниевых блоков, спиральных из нержавеющей стали, медных оребрённых) тот же: каждый переход от холодного металла к рабочей температуре добавляет знакопеременную деформацию, а проявляется это иначе, чем на промышленном котле, — протечками по уплотнениям коллекторов и трещинами в зонах пайки и сварки.

Зато тезис «тактование убивает вентилятор» не подтверждается: ресурс вентиляторов нормируется в часах работы, а отказ подшипников связывают с деградацией смазки от температуры.

Ухудшаются при тактовании и показатели по выбросам, но не те, о которых обычно говорят. Исследование по директиве Eco-design [10], выполненное для Еврокомиссии, указывает, что при тактовании многократно растут выбросы продуктов неполного сгорания (CO, метана и углеводородов), тогда как на выход оксидов азота NO_X тактование практически не влияет. Работа [11], выполненная в Университете Штутгарта (Universität Stuttgart) по заказу Немецкой ассоциации индустрии сжиженного углеводородного газа (DVFG), это подтверждает: конденсационный котёл при непрерывной работе давал 1,4 мг CO/МДж, в режиме с тактованием 10 мг CO/МДж, а величина выбросов NO_X не выросла.

Причина первая и главная: арифметика минимальной мощности

Ключевой параметр при подборе котла — не максимальная мощность, а минимальная: именно она задаёт границу, ниже которой котёл физически не умеет работать непрерывно.

Разница в минимальной мощности между котлами одного класса очень велика. У современных настенных конденсационных котлов «на 24 кВт» минимальная мощность в режиме отопления по техническим данным разных производителей лежит в диапазоне 2,3–5,2 кВт, а у распространённого конвекционного двухконтурного котла той же номинальной мощности равна 9,3 кВт. Разница вчетверо при одинаковой максимальной мощности (рис. 2). Для России это не частность: по оценке А. Л. Торопова [1–3], конвекционные котлы составляют до 98 % парка настенных котлов, а атмосферная горелка конструктивно не опускается ниже 40 % заявленной мощности.

Рис. 2. Минимальная мощность котлов одной номинальной мощности 24 кВт на фоне потребности утеплённого дома в межсезонье

Наложим эти данные на теплопотери. Утеплённый дом 100–120 м² в межсезонье теряет 2–4 кВт, квартира 60 м² с поквартирным отоплением около 2 кВт; у А. Л. Торопова для квартиры 50–70 м² в многоэтажном доме бóльшую часть сезона выходит 1,5–2,4 кВт [1]. Котёл с минимальной мощностью 9,3 кВт в такой системе не может не тактовать: он выдаёт в контур отопления в 2–6 раз больше, чем требуется системе (табл. 3).

Табл. 3. Минимальная мощность котла против потребности объекта в межсезонье

Отношение в последнем столбце и есть мера неизбежности тактования. Значение меньше единицы означает, что котёл способен работать непрерывно: его минимум ниже того, что берёт дом. Чем сильнее отношение превышает единицу, тем короче горение и длиннее пауза; у конвекционного котла в квартире оно доходит до 6,2.

Типично российский случай: двухконтурный котёл, подобранный под ГВС. Нужен приличный проток горячей воды, значит, берут минимум 24 кВт, и контур отопления получает заведомо избыточный по мощности котёл. Частично это лечится сервисным параметром: ограничение мощности отопления не урезает мощность в режиме ГВС, и мощность котла можно ограничить до 40–50 % по отоплению, сохранив полную производительность по горячей воде. Правда, у полной мощности в режиме ГВС есть и своё ограничение: если змеевик бойлера косвенного нагрева слабее котла, принять её он не сможет, и догрев бойлера пойдёт короткими пусками.

Важно понимать, что именно делает данный параметр. Он ограничивает только значение максимальной мощности, а физический минимум горелки не меняет. Котёл с диапазоном 9,3–24 кВт после ограничения до 50 % станет котлом 9,3–12 кВт: он перестанет выходить на уставку подачи на полной мощности при каждом старте и прогревать малый контур за считаные секунды, но при потребности в 3 кВт тактовать не перестанет. Если минимальная мощность выше теплопотерь, программными средствами задача не решается; остаются тепловая масса, расширение гистерезиса или замена котла.

Ловушка есть и в чтении проспектов: заявленный диапазон модуляции «10:1» часто посчитан от максимальной мощности в режиме ГВС, а не отопления. Проверяется это за минуту. В технической документации нужно найти не рекламную строку про модуляцию, а таблицу «полезная теплопроизводительность, отопление, 80/60, min-max» и делить эту пару саму на себя, а не максимум по ГВС на минимум по отоплению. Пересчёт обычно даёт от 4,5:1 до 8:1. Полезно понимать и потолок этого пути: разница между 8:1 и 12:1 в межсезонье почти не ощущается, потому что нагрузка падает ниже обоих порогов.

Евгений Семёнов, тренер по обучению ООО «ФБ Иннова компани»

Комментарий специалиста · Federica Bugatti Добавлю то, о чём вспоминают реже, — конденсат в обычном конвекционном котле. За стандартную заводскую паузу в три минуты теплоноситель в теплообменнике успевает сильно остыть, и при следующем пуске на холодных стенках выпадает влага. Чем чаще пуски, тем больше её набирается; в запущенных случаях конденсат заливает газовый клапан и плату. Отдельная ловушка — схема с насосно-смесительным узлом за гидрострелкой, обычная там, где основную нагрузку весь сезон несут тёплые полы. Уставка котла 45 °C, в контур пола идёт 25 °C. Теплопотребление контура составляет 9,2 кВт при минимальной мощности котла 9,3 кВт — казалось бы, котёл должен работать почти не выключаясь. На деле через минуту после запуска он выходит на полную мощность и выдаёт 24 кВт, смеситель тут же прикрывает подачу и подмешивает больше обратки, а нагреть до 45 °C нужно всего 3–5 л между котлом и узлом. Котёл выключается почти сразу, и так по кругу. Без малообъёмного буфера такая схема не работает. Поэтому при подборе смотрим на нижнюю границу мощности: у наших конвекционных Federica Bugatti Eco Light это 4,6 кВт, у конденсационных Cond Varme — 3,7 кВт.

Причина вторая: объём и теплоёмкость контура

Второй фактор — сколько энергии система способна «поглотить», прежде чем температура подачи упрётся в верхний порог. При нагреве на величину гистерезиса Δt теплоноситель запасает энергию E = cρVΔt. За время горения t горелка отдаёт в контур избыток своей мощности над теплопотребностью, то есть энергию (Q_гор − Q_нагр)t.

Приравняв эти две энергии, получаем удобную рабочую пару формул:

где Q_гор — фактическая мощность горелки в течение цикла; cρ ≈ 1,164 × 10⁻³ кВт·ч/(л·К) при c = 4,19 кДж/(кг·К); коэффициент 14,32 = 1/(60 × 1,164 × 10⁻³) сводит вместе киловатты, минуты и литры. Для модулирующего котла в установившемся режиме это минимальная мощность Q_min. Но на старте автоматика не сбрасывает горелку на минимум мгновенно: розжиг и первые десятки секунд идут на стартовой мощности, обычно 40–70 % от номинала, а у конвекционного котла без глубокой модуляции — практически на номинале. Малый контур прогревается до порога отключения именно на мощности, близкой к максимальной, и для короткого цикла в формулу нужно подставлять её.

Формула (1) не нова: в этом же виде, с точностью до системы единиц, она приводится в журнале idronics (Caleffi) [12] и в руководствах по подбору буферных ёмкостей. Оговорка: она учитывает только воду, а теплоёмкость металла теплообменника, труб и радиаторов в неё не входит, так что расчёт даёт нижнюю оценку времени горения. Насколько велик этот запас, видно по данным В. А. Пухкала [13]: постоянная времени нагрева у стального конвектора около 6 минут, у панельного радиатора 15 минут, и оба прибора относятся к малоинерционным.

Проверим формулу (1) на российской реальности. В статье А. Л. Торопова [1] по результатам натурных наблюдений за поквартирным отоплением приводится: рекомендуемый объём теплоносителя 10 л на 1 кВт мощности котла, фактический объём типовой квартирной системы 25–30 л вместо расчётных 200–240 л, а измеренное время нагрева этих 25 л на полной мощности 45 секунд.

Считаем для системы 25 л, котла 24 кВт, работающего на старте на номинале (Q_гор = 24 кВт), гистерезиса ± 5 К (Δt = 10 К) и межсезонной нагрузки 2 кВт.

Время горения:
25 × 10/(14,32 × 22) = 0,79 минуты, около 48 секунд.

Время паузы:
25 × 10/(14,32 × 2) = 8,7 минуты.

Расчёт даёт тот же порядок величины, что и полевой замер: 48 секунд против 45. Совпадение не стоит переоценивать, поскольку гистерезис в исходной публикации не приведён и принят равным 10 К, а результат к нему чувствителен. Важно другое: задача целиком поддаётся расчёту ещё на стадии проекта.

Обратная задача. Сколько теплоносителя нужно, чтобы горение длилось десять минут, показывает табл. 4. Разница между 315 и 86 л и есть цена глубины модуляции, выраженная в объёме буферной ёмкости.

Табл. 4. Объём теплоносителя, необходимый для десятиминутного горения

Чувствительность к гистерезису видна в тех же строках табл. 4: как видно, расширение с 5 до 15 К сокращает требуемый объём теплоносителя втрое. Плата за него — колебания температуры в помещении: на низкотемпературных контурах они невелики, на радиаторной системе с малой инерцией заметны.

Отсюда и корректное применение правила «10 литров на киловатт»: ориентир хорош для котлов с малым диапазоном модуляции, но не универсален (табл. 5).

Табл. 5. Поправка к правилу «10 литров на киловатт»

Сергей Соловьёв, руководитель отдела развития промышленной группы «Гермес»

Комментарий специалиста · Группа «Гермес» Стоит добавить, что дело не только в объёме воды, но и в том, по какой температуре котёл управляется. При работе по теплоносителю рабочий диапазон узкий: при уставке 60 °C горелка включается около 55 °C и гаснет около 70 °C, и в квартире 60–70 м2 с тремя радиаторами, где в системе 30–40 л, даже на минимальной мощности котёл проработает 2–4 минуты. Комнатный термостат меняет картину: в игру вступает тепловая инерция радиаторов, труб и самой квартиры. Команда на запуск придёт, когда воздух остынет на 0,5–1 K ниже заданного, а теплоноситель к этому времени уже близок к комнатной температуре, и котлу предстоит нагреть воду с 25–30 до 75–80 °C. Рабочий диапазон становится в разы шире, горение длиннее, пусков заметно меньше. Мы как производитель работаем и с последствиями тактования. У стальных Hermes Vitomax увеличен объём воды, в настенных Hermes Legacy заводская задержка повторного включения горелки поднята до четырёх минут, а параметром P16 сервисный инженер доводит её до десяти. И отдельно: в контроллерах нового поколения мы перешли на симисторное управление вентилятором — в такой схеме нет механических контактов, ресурс которых ограничен числом переключений.

Отдельный сюжет: тактование в режиме ГВС

С отоплением всё более или менее считается заранее. В контуре горячей воды тактование возникает по причинам, которые в проект вообще не попадают.

Первая из них — малый водоразбор. У двухконтурных котлов есть порог срабатывания датчика протока, типично около 2 л/мин; ниже него котёл запрос не видит вовсе, а чуть выше видит неустойчиво. Так рождается жалоба «когда моешь руки, вода то горячая, то холодная».

Бывает и водоразбор ниже минимальной мощности. Даже глубоко модулирующий котёл при протоке около 4 л/мин и нагреве на 40 К отдаёт примерно 11 кВт. Если минимальная мощность при работе инженерной системы в режиме ГВС выше, котёл балансирует на границе и при малейшем снижении водоразбора срывается в цикл. Причём экономичные лейки и аэраторы в ванной комнате проблему обостряют. Тот же эффект даёт накипь во вторичном теплообменнике: отложения душат теплосъём, первичный контур перегревается, и горелка гаснет даже при нормальном протоке воды.

Свою долю добавляет преднагрев вторичного теплообменника (функция «комфорт», Keep Hot): котёл держит теплообменник или бачок горячим, чтобы вода шла без задержки. Плата за это — короткие включения по 20–40 секунд круглые сутки, в том числе ночью. По показаниям «умного» счётчика владельца британского двухконтурного котла, при выключенных отоплении и водоразборе на поддержание уходило около 0,15 кВт·ч газа каждый час, то есть 3–4 кВт·ч (0,3–0,4 м³) в сутки, и десятки лишних розжигов.

Гуляющие по форумам цифры «2,8–3,5 м³ за ночь» доверия не заслуживают: это средняя мощность около 4 кВт, что для поддержания температуры вторичного теплообменника невозможно. Там, где никто не встаёт под душ в четыре утра, преднагрев стоит ставить по расписанию или отключать.

И существенная деталь: время антитактования у большинства производителей действует только в режиме отопления. Поэтому котёл, идеально настроенный по отоплению, по счётчику розжигов может показывать кратно большее число пусков, и приходятся они на воду.

Причина третья: гидравлика

Этот класс причин выявляется быстрее всего, потому что даёт характерный признак: перепад между подачей и обраткой при работающей горелке уходит от расчётных 15–20 К — в бóльшую сторону при нехватке расхода через котёл, в меньшую при рециркуляции горячей подачи в обратку мимо системы.

Сценарий с закрытыми термостатическими головками выглядит так. По мере прогрева помещений головки закрываются, расход через котёл падает, перепад растёт, температура подачи стремительно уходит вверх, и котёл выключается по верхнему порогу через 90 секунд. В одном случае расход составлял 150 л/ч вместо необходимых 500 л/ч; после перенастройки насоса и подъёма расхода до 400 л/ч число пусков упало с более 100 в сутки до 15. Ориентир по расходу через котёл — около 0,08 м³/ч на 1 кВт фактической мощности горелки, что соответствует перепаду около 11 К. Считать его нужно от текущей, а не от номинальной мощности: для 24 кВт вышло бы 1,9 м³/ч, столько штатный насос настенного котла через теплообменник не прокачает, и на полной мощности котёл проектируется на перепад 20 К. Паспортный минимальный расход, который защищает теплообменник от закипания, у настенных котлов кратно меньше и к тактованию отношения не имеет.

Перепускной клапан и встроенный байпас работают в ту же сторону: часть горячей подачи возвращается в обратку, не отдав тепло. В исследовании DBU [8] котлы с перепускными клапанами показали годовой КПД 85 % против 89 %, и разницу авторы прямо связывают с повышенной обраткой и усиленным тактованием.

Гидравлический разделитель подмешивает потоки всегда; вопрос лишь в том, в какую сторону и нужно ли это конкретному котлу. Если расход в первичном контуре выше, чем во вторичном, часть горячей подачи уходит напрямую в обратку и поднимает её температуру. Для чугунного или стального конвекционного котла это приём, а не ошибка: конденсация на теплообменнике ему противопоказана, и подъём обратки выше точки росы — штатная защита от низкотемпературной коррозии, ради которой стрелку и считают с превышением первичного расхода. Для конденсационного котла тот же подмес — прямой вред.

Расчётный пример (Caleffi) [14]: подача котла 77 °C, обратка системы 38 °C, а в котёл приходит 51 °C, на 13 К выше. Конденсация при этом не прекращается (51 °C всё ещё ниже точки росы), но резко слабеет: обратка 38 °C даёт около 70 г конденсата на 1 кВтч, а 45 °C уже только 30–40 г. Чуть бóльший перекос расходов или более горячая подача — и обратка уходит за 55 °C, где конденсации не остаётся вовсе. Производители это знают: в инструкции к Vitodens 200‑W [15] гидравлический разделитель предписано считать на максимальный расход общей системы, а при балансировке держать расход со стороны котла на 10–30 % ниже, чем со стороны установки, именно ради низкой обратки.

У конденсационной схемы есть и слабое место, о котором вспоминают уже на объекте. Когда первичный расход ниже вторичного (именно так предписывают балансировать стрелку ради получения холодной обратки), недостающую воду вторичный контур добирает из собственной обратки, и температура подачи к потребителям оказывается ниже, чем на выходе из котла.

Арифметика простая: при соотношении расходов 0,8, подаче котла 55 °C и обратке системы 40 °C потребители получают 0,8 × 55 + 0,2 × 40 = 52 °C, то есть теряют 3 К. Жалоба звучит как «котёл выходит на уставку, а батареи прохладные», и лечится она не подъёмом всей отопительной кривой, а превышением уставки подачи котла над расчётной температурой системы на величину этого подмеса. Проверяется за минуту: померить подачу до стрелки и после неё и сравнить. Без такой компенсации наладчик получает хронический недотоп, а потом компенсирует его «задранной» кривой, которая возвращает тактование.

Ошибаются и с диаметром корпуса. Правило трёх диаметров (корпус втрое шире патрубков) при обычной для обвязки скорости в патрубках 0,8–1,2 м/с даёт вертикальную скорость примерно в девять раз ниже, порядка 0,1–0,13 м/с; считать её нужно на максимальный проток, то есть на случай, когда один из контуров остановлен и через корпус идёт весь расход другого. При таких скоростях работают и разделение потоков, и деаэрация, и осаждение шлама.

При скорости 0,2–0,4 м/с, встречающейся в отечественной практике, гидравлическое разделение ещё обеспечивается, а воздухоотделение и температурное расслоение уже нет. Есть и вопрос места установки датчика: если горелка модулируется по подаче, датчик должен стоять за разделителем, иначе котёл отключается «по приборам», когда система ещё холодная.

Первично-вторичные кольца, альтернатива стрелке, любимая монтажниками за скорость сборки, требуют аккуратной детализации. Расстояние между осями тройников отбора и возврата не должно превышать четырёх диаметров первичного трубопровода.

В американской практике [12] рекомендуют ещё и участки успокоения потока: восемь диаметров прямой трубы до первого тройника и четыре после второго; в стеснённой котельной это выдерживают редко, но отвод, врезанный вплотную к тройникам, даёт турбулентность и паразитный переток между контурами. Отечественная практика формулирует мягче («не далее 300 мм»), что для DN25 уже 12 диаметров. Всё, что добавляет сопротивление между тройниками, убивает разделение: шаровой кран, врезанный между ними «на всякий случай», — типичная причина возврата на объект.

У колец есть и системный минус: при одновременной работе нескольких вторичных контуров температура подачи падает от кольца к кольцу. Гидроразделитель и буфер этим не страдают.

В последнюю очередь, но обязательно, проверяют состояние самого котла. Накипь и загрязнение ухудшают теплосъём: котёл дольше выходит на режим, чаще уходит в защиту по перегреву, растёт расход газа при неизменной погоде. Воздух даёт то же самое локально. Наконец, датчики NTC: при уходе характеристики котёл видит подачу горячее, чем она есть, и гасит горелку раньше времени. Исправный датчик даёт около 10 кОм при 25 °C; меряется это за минуту, а объясняет иногда всё.

Причина четвёртая: настройки автоматики

Параметры, которыми тактование лечится, есть практически в каждом сервисном меню, но называются везде по-разному. Обобщённо это четыре группы.

Ограничение максимальной мощности отопления, в процентах или киловаттах, трогают первым: заводские 100 % почти никогда не соответствуют объекту. Там, где отдельным параметром задаётся стартовая мощность розжига, снижают и её: в малом контуре первая минута на 40–70 % номинала сама по себе пробивает верхний порог, до того, как автоматика успеет сбросить горелку на минимум.

К тому же выводу приходит А. Л. Торопов для поквартирного отопления [1–3]: сразу занизить максимальную мощность в режиме «зима» и расширить гистерезис вплоть до 15 К, что сокращает число включений в два-три раза.

Гистерезис, он же дифференциал включения-выключения, в переводных инструкциях называется «температурный интервал для выключения и включения горелки», в немецких — Schaltdifferenz. Диапазон настройки обычно 0–30 К, заводские значения у разных производителей от 0 (гистерезис не задан, работа по внутреннему алгоритму) до 10 К. Узкий гистерезис при уставке подачи 70 °C и зоне нечувствительности 2 К даёт пуск каждые полторы-две минуты; расширение до 8–15 К увеличивает цикл кратно.

Время антитактования, оно же «время ожидания между выключением и включением горелки» (в немецких инструкциях Brennersperrzeit), настраивается в диапазонах от 0–15 до 2–60 минут, заводские значения от 3 до 20 минут. Здесь три подводных камня, на которых наладчики теряют часы. Первый: у ряда производителей заданная вручную пауза не действует, пока включён автоматический расчёт паузы по погодозависимому регулятору, и наладчик меняет параметр без всякого эффекта. Второй: у других производителей пауза рассчитывается от уставки температуры подачи, поэтому завышенная уставка 80 °C сама по себе увеличивает число пусков. Это особенность алгоритма, а не физики: сама по себе высокая подача, наоборот, удлиняет горение, потому что система забирает больше тепла. Третий: у многих котлов отсчёт этой паузы можно принудительно прервать, иначе между пробами при пусконаладке придётся ждать до 20 минут.

Выбег насоса по заводским настройкам разбросан от 30 секунд до 12 минут. При коротком выбеге остаточное тепло теплообменника перегревает датчик подачи, и котёл откладывает следующий пуск, ориентируясь на ложную температуру. Избыточно длинный выбег вреден по-другому: насос гоняет теплоноситель через остывающий теплообменник, и у котла с открытой камерой сгорания часть этого тепла уносит тяга в дымоход.

Причём важнее знать порядок настройки, чем конкретные коды параметров конкретного котла. Увеличение паузы стоит в этом порядке последним: оно устраняет не причину, а следствие. Счётчик пусков снижается, но в межсезонье появляется недогрев помещений, потому что котлу запрещено включаться.

Сергей Турута, руководитель технического департамента «Термекс ГазПро»

Комментарий специалиста · «Термекс ГазПро» Тактование — вопрос согласования котла и системы, и у автоматики здесь есть резерв, о котором вспоминают редко. Котёл с единственным датчиком на подаче видит только следствие: температура дошла до порога, горелка погасла. Датчик на обратной линии даёт автоматике перепад, а поскольку расход своего насоса котёл знает, по перепаду он оценивает, сколько система забирает в данный момент. Дальше мощность снижается заранее, а не по факту перегрева, и цикл удлиняется без расширения гистерезиса и без увеличения паузы между пусками. В старших сериях наших котлов такой датчик стоит штатно, и при подборе стоит смотреть, чем котёл оснащён, а не только на цифру модуляции в проспекте. У того же датчика есть второе применение. Температуру обратки задаёт система, а не котёл, поэтому по ней видно и то, держится ли конденсационный режим, и то, не подмешивается ли горячая подача в обратку мимо системы. Ограничение здесь то же, что у любого алгоритма: если минимальная мощность горелки выше фактической нагрузки, непрерывной работы не будет — циклы станут реже и длиннее, но не исчезнут. Поэтому на объекте мы начинаем с трёх величин: нагрузка при текущей погоде, минимальная мощность котла, действительный расход через него. И отдельно про запас мощности: для газового котла он всегда отрицательный фактор, а не страховка, и на обучениях мы говорим об этом раньше, чем о настройках.

Погодозависимое регулирование и комнатные регуляторы с модуляцией

Правильно настроенная отопительная кривая позволяет уйти от тактования системно, а не подавить его таймером. Ориентиры по наклону отопительной кривой: радиаторы в хорошо утеплённом доме 1,0–1,2; радиаторы в старом здании 1,4–1,6; тёплые полы 0,3–0,5. Наклон подбирается в мороз (–10…–5 °C), параллельный сдвиг в межсезонье (+5…+10 °C), между изменениями надо выждать сутки, иначе настройка будет идти по переходному процессу.

У этой настройки есть и обратная сторона, о которой вспоминают редко.

В межсезонье кривая опускает уставку подачи, а минимум горелки остаётся прежним, и котёл долетает до порога отключения за считаные секунды. Поэтому на аппарате без глубокой модуляции погодозависимое регулирование само способно разогнать тактование — что и произошло на втором из разобранных ниже объектов, где снижение кривой довело котёл до 94 пусков на час горения.

По комнатным регуляторам с модуляцией маркетинговые цифры расходятся широко, поэтому опираться стоит на измерения. Наиболее корректное из доступных исследований выполнено в лаборатории Salford Energy House Университета Солфорда (University of Salford) по заказу британской ассоциации BEAMA [16]: полноразмерный дом в климатической камере, конденсационный котёл, сравнение с обычным релейным термостатом. Автоматика с компенсацией по нагрузке дала около 10 % экономии за сезон, прямая модуляция с компенсацией около 12 %.

Самое интересное обнаружилось во второй фазе тех же испытаний. Когда систему привели в порядок (котёл с меньшим запасом мощности, радиаторы отбалансированы на перепад 20 К, снижена температура подачи), выигрыш «умной» автоматики упал до 5 %: базовый вариант с обычным термостатом сам по себе резко улучшился. Гидравлическая балансировка и корректная пусконаладка дают значительную часть эффекта ещё до покупки комнатного регулятора с модуляцией. Там же зафиксировано ограничение сверху: даже котёл с регулятором, работающим по модуляции, уходил в режим «включено-выключено», поскольку автоматика не может снизить мощность горелки ниже физического минимума.

Отдельная возможность — внешние контроллеры, которые управляют котлом не через сервисное меню, а по цифровой шине. Диапазоны настройки у них обычно шире котловых: интервал между запусками горелки задаётся свободнее, суточные и недельные программы — мельче по шагу. Для наладчика это ещё и вопрос доступа: параметры котла трогать берутся не все, а контроллер настраивается снаружи и без риска сбить заводские уставки.

В практике встречается и приём попроще, для обычного программируемого термостата с релейным выходом. Комнатную уставку чередуют получасовыми интервалами: полчаса высокая, котёл работает, полчаса низкая, котёл отдыхает. На тёплых полах, где приборы инерционны, комфорт от этого не страдает, а горение становится длинным вместо серии коротких пусков. Приём не устраняет причину, минимальная мощность горелки остаётся прежней, но заметно удлиняет цикл там, где к сервисным настройкам доступа нет. Ограничение максимальной мощности отопления и увеличенный интервал между пусками при этом всё равно нужны.

Иван Архипов, технический директор по бренду De Dietrich, «БДР Термия Рус»

Комментарий специалиста · «БДР Термия Рус» В статье рассматривается проблема, с которой сталкиваются практически все владельцы квартир в домах с поквартирным отоплением и владельцы небольших домов с хорошей теплоизоляцией и настенным котлом в качестве источника тепла. От себя добавлю небольшой технический нюанс: как правило, все классические настенные конвекционные котлы после розжига стремятся выйти на максимальную мощность и как можно быстрее набрать заданную температуру. При этом в современных настенных котлах торговых марок BAXI и De Dietrich есть возможность ограничить пусковую (стартовую) мощность котла, а в конденсационных моделях уже заложен алгоритм, направленный на длительную работу на минимальной мощности. Часто нам задают вопрос: можно ли на классическом настенном конвекционном котле выставить давление газа на горелке для минимальной мощности ниже значения, указанного в инструкции, и тем самым принудительно снизить минимальную мощность и уйти от тактования? Естественно, котёл должен эксплуатироваться в соответствии с данными и рекомендациями руководства по эксплуатации. Пример из практики: квартира в новом многоквартирном доме с хорошим утеплением, напольное отопление, обычный настенный конвекционный котёл. Короткие циклы удалось исключить программируемым комнатным термостатом в режиме «зебры»: полчаса работа за счёт высокой заданной комнатной температуры, полчаса отдых за счёт низкой. Разумеется, при этом была ограничена максимальная мощность котла в режиме отопления и немного увеличен интервал между двумя запусками горелки. Дальнейшим развитием решения проблемы тактования я считаю применение устройств внешней автоматики, управляющих котлом по цифровой шине. Их настройки позволяют регулировать время между двумя запусками горелки в более широком диапазоне, чем настройки котла, а также задавать суточные и недельные программы отопления с достаточно небольшим шагом.

Конденсационный котёл: тактование бьёт по нему дважды

Точка росы продуктов сгорания природного газа зависит от коэффициента избытка воздуха [17]: при λ = 1,1 это около 57 °C, при λ = 1,3 (типичный премиксный горелочный узел) около 55 °C, при λ = 2,0 около 47 °C. Устойчивая конденсация требует обратки ниже 55 °C, хорошая ниже 40 °C. Количество конденсата при обратке 45 °C составляет порядка 30–40 г/кВт·ч, при 40 °C около 70 г, при 30 °C около 105 г; полное выпадение влаги дымовых газов дало бы порядка 150–160 г/кВт·ч в пересчёте на низшую теплоту сгорания, в зависимости от состава газа.

Когда нагрузка опускается ниже минимальной мощности котла, он отдаёт в систему больше тепла, чем она потребляет: обратка греется, подача упирается в верхний порог, горелка гаснет, и цикл повторяется. Котёл теряет дважды — на продувках при каждом пуске и на конденсации, которой не будет, пока обратка держится выше точки росы. В работе [4] этот режим начинался при нагрузке ниже 20 % от мощности котла, но сам порог зависит от глубины модуляции конкретного котла.

Как считать буфер, и когда он не нужен

Буферная ёмкость — не универсальное решение: она добавляет системе тепловую массу, но требует места и затрат. Считается она той же формулой, но с важным различием: для котла без модуляции в числителе стоит полная мощность горелки за вычетом теплопотребности объекта в межсезонье, для модулирующего минимальная мощность за вычетом той же теплопотребности. Разница кратная: 315 л против 86 л для одного и того же котла 24 кВт. Отечественная оценка того же порядка: для квартиры 60 м² со средними за сезон теплопотерями около 1,5 кВт А. Л. Торопов получает 150 л [2] при пятичасовом цикле работы бака и называет 80 л нижней границей для поквартирного отопления.

Схема обвязки определяет, сохранится ли конденсационный режим. При включении бака «в разрыв» расслоение максимально, и в обратку котла уходит вода со дна, самая холодная, что для конденсации идеально; платить за это приходится инерцией отклика. При байпасной схеме через бак идёт только разностный расход, отклик быстрее, но часть горячей подачи может уйти в обратку напрямую, и механизм здесь тот же, что у неправильно подобранной гидрострелки.

Перебор с объёмом тоже вредит. Слишком большой бак не успевает прогреться на расчётную величину гистерезиса, растут потери простоя, падает управляемость. При этом потери на литр объёма нелинейны: у бака на 450 л отношение поверхности к объёму примерно в полтора раза лучше, чем у бака на 110 л.

Алексей Торопов, член-корреспондент Российской инженерной академии (РИА), профессор, генеральный директор — главный конструктор завода «Ардерия»

Комментарий специалиста · Завод «Ардерия» Применительно к тактованию как совет проектировщику я бы рекомендовал при определении максимальной мощности котла вводить коэффициент 0,9 для индивидуальных одноквартирных домов и 0,6 для поквартирного отопления — относительно теплопотерь, подсчитанных по нормам строительной климатологии. Климат теплеет. Оговорюсь: это касается частного дома, для официальных расчётов нарушать требования ГОСТ и СП я рекомендовать не имею права. В статье правильно поднимаются вопросы объективности предоставления данных производителями котлов и маркетологами. Это сложный вопрос, поскольку эффективная работа котла в системе теплоснабжения индивидуального домохозяйства зависит от множества факторов, и рассмотрение идеальных условий эксплуатации может приводить к показателям, которые сильно отличаются от реальности. К примеру, по КПД котла маркетологи называют завышенную цифру: одни считают его по высшей теплоте сгорания топлива, другие по низшей — так какой КПД у котла и при каких условиях? К сожалению, высшая школа не уделяет внимания указанным проблемам. Это приводит к ошибкам в проектировании, которые порождают большие дополнительные финансовые затраты владельцев и многочасовой труд специалистов. Тем ценнее работа журнала СОК по созданию верифицированной базы знаний по этой тематике. Верифицированная — значит собранная из проверенных источников, с фильтром на всё, что не имеет научного статуса; для научных статей формой такой проверки служит слепое рецензирование двумя докторами наук соответствующего профиля. А специалистам по монтажу и сервису теплотехнического оборудования статья подскажет некоторые решения сложных практических вопросов, с которыми они сталкиваются ежедневно.

Четыре объекта и два ориентира

Дальше идут разборы конкретных случаев. Это не лабораторные испытания, а материалы сервисных обсуждений и форумов производителей: практика, а не доказательство. Но механизмы в них видны хорошо (табл. 6).

Табл. 6. Что показывали счётчики на объектах и что помогло

Начнём с примера, где настройки не работали, пока не устранили механику. Дом 200 м² постройки 1982 года, тёплые полы, конденсационный котёл 22 кВт 2004 года выпуска с погодозависимым регулятором и бойлером косвенного нагрева. Счётчик показывал 118 600 розжигов за 17 лет, около 7000 в год, для котла с бойлером цифра обычная; текущая же частота 3–4 пуска в час при любой погоде, причём в основном на догрев бойлера, который без водоразбора остывал на 5 К за десять минут. Показательна и ошибка в метрике: владелец сначала поделил розжиги на второй счётчик (149 400 часов) и получил «1,3 часа на пуск», но это было общее время под напряжением, а не наработка горелки. Все доступные настройки он изменил без какого-либо эффекта.

Проверку, которая решила задачу, стоит запомнить: при длительной работе на отопление трубы к бойлеру горячего водоснабжения должны остыть до комнатной температуры. Они были тёплыми, значит, через змеевик идёт проток, а это возможно только через трёхходовой клапан, если тот не доходит до упора. После обслуживания клапана частота упала до одного пуска в час.

На другом объекте снижение кривой без проверки расхода сделало хуже. Конденсационный котёл с диапазоном 1,9–11 кВт, отопительная кривая 0,8. Счётчики: 20 377 пусков на 647 часов наработки, 31,5 пуска на час горения. Владелец пошёл очевидным путём и снизил отопительную кривую ещё; стало 94 пуска на час горения, потому что при недостаточном протоке снижение температуры подачи только сужает окно между розжигом и отключением. Сработало другое: подняли обороты насоса до расхода порядка 745 л/ч и увеличили параметр интегрального критерия отключения горелки. Результат: первое отключение горелки наступало только через 11 часов работы.

Квартира 90 м² в доме 1964 года без утепления показывает, как путают метрику. Тёплый пол и бойлер ГВС, котёл 3,8–13 кВт. Было 19 136 пусков на 12 318 часов, 1,55 пуска на час горения. После переделки обвязки, отопительной кривой тёплого пола 0,5 и демпфирования сигнала наружного датчика стало 106 пусков на 216 часов. Владелец подсчитал это как «2,03 пуска в час» и спросил, нормально ли. На самом деле получилось 2,03 часа на один пуск или 0,49 пуска на час горения, и это отличный результат.

Отечественный пример касается датчика за гидрострелкой и побочного эффекта его переноса. Напольный котёл с внешним контроллером по OpenTherm, однотрубная система с собственным насосом, гидрострелка. Котёл включался раз в пять минут даже после того, как помещение прогрелось. Помогли две меры: в контроллере отключили ПИД-регулирование и погодозависимый алгоритм, а датчик контура перенесли на подачу после гидрострелки. Тактование прекратилось, но нарушилась работа контура ГВС. Это случай, когда наладка одного контура нарушает работу другого, и такую взаимосвязь надо проверять до сдачи объекта.

Остаётся назвать два ориентира на краях диапазона. Крайний случай: дом площадью 250 м² с теплопотерями около 11 кВт, буфер на 1000 л и котёл на сжиженном газе с минимальной мощностью 4,9 кВт давали около 90 пусков в сутки при наружной +14 °C. Проверим арифметикой: при такой погоде дом потребляет около 1,5 кВт, избыток горелки 3,4 кВт, и даже при гистерезисе 1 К тонна воды растягивает цикл больше чем на час, то есть не более 20 с небольшим пусков в сутки; при 5 К их было бы четыре-пять. 90 пусков означают, что каждый цикл греет бак на 0,2 K, а с таким дифференциалом не работает ни одна автоматика.

Вывод обратный тому, что напрашивается: бак в теплообмене не участвовал, котёл выключался по собственному датчику на коротком кольце, и случай иллюстрирует не бессилие буфера, а его изоляцию обвязкой или неверное место датчика. Противоположный пример: после грамотной наладки за 96 часов набралось 53 часа наработки и 108 розжигов, то есть два пуска на час горения при цикле около получаса.

Порядок действий на объекте

1. Снять объективные данные:

счётчики наработки горелки и числа розжигов, отношение одного к другому. Без этого разговор беспредметен.

2. Замерить перепад подача/обратка при работающей горелке.

Отклонение от расчётных 15–20 К в любую сторону — повод искать гидравлику. Перепад заметно выше указывает на нехватку расхода через котёл: забитый фильтр, слабый насос, закрытые головки. Перепад ниже 8–10 К при горячей обратке — на рециркуляцию мимо системы: перепускной клапан, встроенный байпас, неправильно подобранный разделитель.

3. Проверить механику, прежде чем крутить параметры.

Трёхходовой клапан, не доходящий до упора и подтравливающий в контур ГВС, даёт тактование, которое не лечится никакими настройками.

4. Сопоставить минимальную мощность горелки с теплопотерями объекта в межсезонье.

Если Q_min больше теплопотерь, зафиксировать: одной сервисной настройкой задача не решится, потребуются компенсационные меры из шагов 5–7, а в пределе замена котла.

5. Ограничить максимальную мощность отопления,

на двухконтурных котлах с сохранением полной мощности ГВС, а в малоёмких системах и стартовую мощность розжига, если такой параметр есть; это убирает резкий разгон подачи при пуске, но не снижает минимум горелки. Затем расширить гистерезис до 8–15 К, настроить кривую и проверить выбег насоса.

6. И только теперь увеличивать время антитактования,

понимая, что это подавление симптома.

7. Буферная ёмкость — последняя мера, а не первая.

Её объём считается по формуле, а не по эмпирическому «литров на киловатт».

Что стоит проговорить заказчику

Избыточная мощность не бесплатна. Она даёт не «надёжность» и «резерв», а короткие циклы, выработку ресурса реле и клапана, повышенные выбросы угарного газа (CO) и потерю конденсационного режима. Мощность подбирается по расчёту теплопотерь, а не по площади с коэффициентом «на всякий случай».

Бороться с тактованием надо в правильном порядке. Дешёвые и обратимые меры (сервисные параметры, гистерезис, кривая, балансировка) дают основную часть эффекта. Дорогие и необратимые нужны тогда, когда упёрлись в физику: минимальная мощность горелки больше, чем объект способен потребить.

И последнее, уже про сам разговор. По интернету ходят красивые цифры, которые легко повторить и нечем подтвердить: «тактование вдвое сокращает срок службы котла», «из‑за тактования растут выбросы оксидов азота», «КПД 98 % при обратке 30 °C». У первой нет прослеживаемого источника, вторая противоречит лабораторным измерениям [11], третья приводится без указания режима испытаний и базы отсчёта, а потому непроверяема.

Таким образом, заказчику лучше всего показать счётчики его собственного котла: число розжигов, часы наработки и отношение одного к другому. Эти цифры он проверит сам, и они работают лучше любых чужих.