Автоматика бытовых газовых котлов: какая лучше для автономной работы, производители Honeywell, Sit, САБК и Орион

Автоматика для газового котла – Как работает автоматика газового котла

Содержание

Причина установки автоматики

Устройство и минимальная комплектация

Принцип работы разных типов автоматики

Производители

Эксплуатация автоматики

Коротко о главном

Автоматика для газового котла – комплект устройств, обязательных к установке в газовом котле любого типа. Они предназначены для защиты котельного оборудования и управления процессами в системе отопления и ГВС. В технической литературе комплекс устройств для защиты и регулировки котлов называют контрольно-измерительными приборами и автоматикой и сокращенно обозначают – КИПиА.

Погодозависимая автоматика регулирования

Причина установки автоматики

Газовые котлы для системы отопления и ГВС относят к высокоопасным устройствам из-за взрывоопасности газа и пароводяной смеси, высокого давления и температуры воды, отравляющих дымовых газов.

Чтобы защитить котельное оборудование и его пользователя от этих опасных факторов, по требованию Госгортехнадзора на газовом котле любого типа должна быть установлена автоматика.

Устройство, комплектация и функционал КИПиА зависит от вида котла, его конструкции, температурного режима во внутреннем контуре топки и системе отопления. Это определяется производителем котельного оборудования. Соответствие котловой автоматики государственным требованиям подтверждается выдачей государственной сертификации на конкретную модель котла. Несертифицированное оборудование к установке не допускается и не будет допущено к эксплуатации представителями Горгаза.

Котельная с напольным котлом

Устройство и минимальная комплектация

Автоматика безопасности газовых котлов по функциональным модулям для разной модификации практически не отличается между собой. Она состоит из первичных датчиков, которые измеряют контролируемый сигнал на газовой, водной среде и дымовых газах, и контролера, который сравнивает полученные сигналы с установленными предельными показателями.

После обработки результата контроллер подает команду на газовые и водяные клапаны, которые открывают/закрывают подачу рабочей среды.

Этот комплект работает и в системе защиты котла, и в системе регулирования. Отличие между ними заключается в том, что защита при превышении допустимых параметров прекращает подачу топлива мгновенно, а система регулирования настраивается по температуре теплоносителя в водяном контуре и поддерживается регулирующими клапанами, которые увеличивают или уменьшают расход газа или воды.

Купить автоматику для котла отопления можно в нашем интернет-магазине.

Комплект КИПиА

Минимальная комплектация КИПиА зависит от того, какую именно защиту нужно обеспечить. Согласно нормативам необходимы:

• контроль пламени, датчик пламени и клапан отсекатель, прекращающий подачу газа при отрыве факела;
• защита от высокого/низкого давления в топочном отопительном контуре, датчик давления;
• защита от высокой/низкой температуры в контуре котла, термопара;
• защита от низкого разрежения в топке, датчик тяги;
• защита от загазованности в топочной, датчик загазованности.

Важно! Автоматика для любого газового котла в обязательном порядке комплектуется системами звуковой и световой сигнализации, которая предупреждает обо всех аварийных ситуациях в работе котла.

Современные газовые котлы имеют ЖК-дисплеи, на которых отображаются все фактические параметры в режиме реального времени и системные сообщения, помогающие пользователю качественно управлять оборудованием.

Схема котловой автоматики

Принцип работы разных типов автоматики

Современные модели газовых котлов имеют преднастроенную на заводе систему защиты и управления. Пользователю остается только установить температурный режим при монтаже оборудования. В погодозависимых системах автоматики температура подающего теплоносителя задается системой самостоятельно в соответствии с температурой наружного воздуха.

После запуска котла клапан-отсекатель газа открыт, вода из системы отопления поступает во внутренний контур агрегата, где нагревается за счет охлаждения дымовых газов. В этот момент система безопасности контролирует разрежение в топке, наличие факела на горелке, давление среды и температуру нагрева теплоносителя. В момент достижения водой заданной температуры нагрева датчик температуры отправляет сигнал контроллеру, который управляет исполнительным механизмом подачи газа. В результате расход газа будет уменьшен или подача прекратится совсем.

Чтобы избежать тактования котла, постоянного отключения-включения, в отопительную систему можно встроить трехходовой клапан, который будет перенаправлять теплоноситель из системы отопления в ГВС и наоборот. Благодаря этому котел будет функционировать в более стабильном режиме, что важно для его работоспособности и срока эксплуатации.

ЖК-дисплей управления котлом

На рынке представлены системы автоматики для газовых котлов различных типов: энергозависимые, энергонезависимые, для настенных и напольных котлов, с механическими и электронными регуляторами. Все газовые котлы для эксплуатации на территории РФ должны быть укомплектованы КИПиА на заводе.

Покупателю при выборе потребуется уточнить тип установленной системы автоматики котла, чтобы сравнить его характеристики с проектной системой отопления в доме. Какая автоматика лучше – механическая или электронная, сразу сказать сложно, поскольку это зависит от фактических условий эксплуатации котельного оборудования.

Заказать установку котла отопления можно в нашей компании. Чтобы ознакомиться со стоимостью работ и порядком оказания услуги и связаться со специалистом, перейдите в раздел «услуги».

Клапан-отсекатель газа

Механическая

Этот тип автоматики наиболее простой и не требует для своей работы электроэнергии. Его применяют для установки на котлах, работающих в районах с нестабильным электроснабжением. Температуру теплоносителя устанавливают механическим регулятором. Регулировка газа выполняется клапаном газа, установленным на газопроводе перед котлом.

Он состоит из термоэлемента, рычагов, пружины и сердечника.

Циркуляция теплоносителя в таких котлах обычно естественная. Вода перемещается благодаря разности температур отопительной среды на входе и выходе из системы. После розжига котла пьезомеханическим запальником начинает движение теплоноситель по внутреннему контуру котла, нагреваясь за счет высокой температуры выходящих газов. При достижении температурой заданного значения сердечник газового клапана отреагирует на эти данные и, изменив положение штока, перекроет подачу газа.

Если температура будет повышаться и дальше, газ будет перекрыт полностью. Система отправит звуковой сигнал об отключении котла. При снижении температуры теплоносителя шток будет двигаться в обратном направлении, запуская подачу газа.

Электронная автоматика котла

Электронная

Этот тип систем наиболее перспективный, поскольку может обеспечить работу современной погодозависимой автоматики. Управление режимами котла осуществляется по внешнему термодатчику, установленному на улице. Он подает сигнал на контроллер, задающий режим работы всего котельного оборудования для поддержания оптимальной температуры и эффективной работы.

Все вспомогательное оборудование, электронасосы, электровентиляторы, дымососы, работают в одном режиме, поэтому достигается наибольший КПД установки. При снижении температуры на улице система подбирает режим работы оборудования, увеличивает расход газа и, соответственно, скорость вращения насоса, вентилятора и дымососа. При повышении внешней температуры процесс происходит в обратном порядке.

В видео показывают, как работает контроллер

Энергонезависимая

Автоматика на газовый котел этого типа не требует для своей работы электропитания. Принцип работы такой системы, независимой от электросети, базируется на механических датчиках и исполнительных механизмах. Это довольно примитивная схема, которая не может обеспечить современный уровень защиты и управления тепловыми процессами в котле.

При любом аварийном срабатывании термодатчиков или механического регулятора в тепловой сети сигнал подается на клапан-отсекатель, который полностью перекрывает подачу газа.

В новых моделях котлов такие системы практически не устанавливают. Их комплектуют электроникой и аварийным источником тока, который позволяет работать оборудованию после отключения основного источника питания.

Важно! Энергонезависимую автоматику запрещено устанавливать в домах высотой свыше двух этажей с принудительной системой циркуляции.

Энергонезависимая автоматика

Энергозависимая

В этой схеме КИПиА все датчики, исполнительные механизмы, насосы, дымососы, вентиляторы и панель управления работают с использованием электроэнергии. При отсутствии напряжения на входе в котел система остановит его работу и переведет на аварийное питание.

В качестве оборудования для аварийного питания котла могут выступать внешние аккумуляторы или генераторы тока. При этом не требуется установка моделей огромной мощности, современные котлы тратят ее немного на собственные нужды.

Эта схема позволяет реализовать все новейшие требования КИПиА, переводя работу котлов в полностью автономный режим, когда оборудование способно от одного запуска проработать весь отопительный сезон. Современные средства коммуникации, встроенные в такую автоматику, позволяют управлять котельным оборудованием в дистанционном режиме. Система датчиков и регуляторов способна охватить все уровни защиты: газ, воду, дымовые газы, а также внутридомовую систему отопления и ГВС.

В видео рассказывают о принципе работы Eurosit630 и о том, как работает автоматика

Производители

По отзывам пользователей и результатам многолетней эксплуатации устройств выделяют лучшие страны-производители систем автоматики и безопасности котлов. Это Италия, Германия и Польша. Современные отечественные котлы также выпускают с автоматикой, произведенной в ЕС. Промышленные и мощные энергетические котлы комплектуют отечественными системами КИПиА.

Наиболее популярная отечественная автоматика для бытовых котлов и газовых колонок – Орион, однако она не может сравниться по функциональности с мощными устройствами от Honeywell, SIT Group и КАРЕ.

Газовый котел Vaillant

Польская автоматика КАРЕ

Польская автоматика рассчитана на работу с котлами мощностью до 100 кВт, способных обеспечить отоплением и горячей водой дома общей площадью до 1000 м2. Работает при давлении газа от 0,630 до 1,760 кПа и температуре теплоносителя до 95 °C.

Устройство автоматики газового котла бренда КАРЕ: терморегулятор, газовый клапан-отсекатель, электромагнитный клапан, пьезорозжиг, датчик температуры, давления и разрежения в топке. При выходе из строя одного из элементов легко произвести его замену, не потребуется менять весь комплект.

КАРЕ выполняет защитное отключение котла при отрыве факела на горелке, отсутствии разрежения в топке, высокой температуре и давлении воды в нагреваемом отопительном контуре. Регулирование тепловых процессов котла производят с учетом температуры теплоносителя.

В видео показываю, как настроить котел с автоматикой КАРЕ

Итальянская автоматика SIT Group

Автоматика для газовых котлов отопления Евросит 630 может быть установлена в газовые котлы как отечественного, так и зарубежного производства мощностью до 20 кВт. Учитывает работу механического многофункционального регулятора газа с термоэлектрической системой контроля по факелу.

Регулирующие клапаны Sit Group идут в комплекте с пьезорозжигом, могут работать с предельным давлением газа перед котлом от 3 до 50 Мбар, что соответствует рабочим параметрам отечественных газовых сетей.

Газовые клапаны бренда SIT Group

Немецкая автоматика Honeywell

Бренд относится к сегменту премиум. Автоматика может быть промышленной, бытовой, для автономных систем отопления.

Можно установить для использования с бытовым котлом мощностью от 10 до 100 кВт. В комплект включен набор контроллеров, отвечающих за безопасную работу оборудования и регулирование температуры воды от 45 до 90 °C. Система автоматики сертифицирована для применения на российских объектах бытовой теплоэнергетики и может быть установлена на котлах премиум-класса.

Газовый клапан Honeywell

Эксплуатация автоматики

Автоматика газового котла имеет предустановленные настройки, поэтому пользователю потребуется задать только температуру теплоносителя. А произвести первый запуск, проверку и наладку котла может только специалист сервисной компании. Он же должен осуществить предпусковую настройку.

В видео показывают, как правильно произвести запуск автоматики котла

При первом пуске котла специалист должен не только проверить работоспособность системы автоматики, но и ознакомить пользователя с правилами эксплуатации и обслуживания газового оборудования и систем КИПиА.

После завершения настройки котла и КИПиА оборудование ставят на гарантийное обслуживание. В этот период сервисная компания периодически и бесплатно выполняет проверку исправности и замену неисправных узлов автоматики, а также повторную настройку, если уровень автоматизации котла не отвечает действующим нормативам и условиям эксплуатации.

Важно! Пользователь не должен самостоятельно разбирать блоки и узлы системы КИПиА котла, поскольку в этом случае гарантийные обязательства завода-изготовителя будут аннулированы.

Коротко о главном

Диагностику неисправности и ремонт котла пользователь может провести только при обрыве внешних электролиний или для замены неисправных центробежных насосов, вентиляторов и дымососов на аналогичные модели.

Невозможно представить современные системы теплоснабжения без эффективной и надежной автоматики для обеспечения безопасной работы котла. Ее установка – это требование, прописанное в государственных нормативных актах по безопасной работе газового оборудования. Лучшими комплектами автоматики считают модели брендов SIT Group, КАРЕ и Honeywell.

Какой тип автоматики вы считаете наиболее эффективным и удобным в эксплуатации?

Автоматика бытовых газовых котлов: основные и дополнительные функции

Автономное отопление удобно и безопасно благодаря электронным технологиям, позволившим создать автоматическое управление и систему защиты тепловых генераторов. Продуктивный режим эксплуатации, круглосуточный контроль без участия человека и безопасность газовых бытовых котлов обеспечивает автоматика.

Автоматика – электронная система приборов, по присущим им средствам, классифицируется двумя группами:

• механические – получающие сигнал с датчиков о колебаниях температурного режима в контуре энергоносителя, зависимые от энергетического ресурса;
• электронные – агрегаты, подключенные к внешним источникам электрического напряжения.

Механическая автоматика

Ручная регулировка бытовых газовых котлов обеспечивается введенными настройками заданного диапазона оптимальных показателей значений температуры. Розжиг фитиля пламени камеры горения запускает термостат, чувствительный к изменениям среды теплоносителя.

Горелка газового котла

Температурный регулятор нагнетает подачу газа к горелке, когда вода остывает в контуре системы отопления, и перекрывает поток при достаточном нагреве. Монтируется термодатчик в газопровод. Оснащен он такими узлами:

• термоэлемент;
• группа рычагов;
• пружинный патрубок;
• сердечник.

Сердечник – латунная трубка и инваровый стержень, чувствительный элемент, реагирующий на изменения состояния теплоносителя. Изменяя длину, открывает и перекрывает клапан, корректируя подачу энергоносителя к камере горения прибора.

Рекомендуется оснащать блок управления датчиками пламени и тяги в дымоотводе. Автоматика с такими приспособлениями способна отключать подачу газа при снижении давления и при проблемной ситуации с тягой. Данные датчики изготавливаются на базе биметаллических пластин, нацеленных на перегрев газа. При воспламенении датчик деформируется, удерживая клапан в открытом положении. Во время внештатного затухания пламени пластина принимает начальную форму, снова перекрывая энергоресурс. По такому же принципу, действует и датчик тяги. Его контакты изменяются и снова возвращаются в исходное состояние.

Электронный тип

Автоматика газовых котлов от электрической сети или генератора сложнее по структуре и конструкционно. Но у нее преимущества за счет огромного спектра функциональных нагрузок и опций:

• подогрев воды для хозяйственных нужд потребителя;
• безопасный режим эксплуатации;
• автономное управление каждым контуром;
• комфортный микроклимат;
• высокий класс полезности;
• экологическая чистота;
• алгоритмы программирования на определенный период;
• корректировка процесса работы с учетом изменений погодных условий;
• самодиагностика;
• дистанционное управление;
• подсветка.

Блок автоматики

Принцип действия основан на электромагнитных силах микропроцессора. Сенсорный дисплей прост в использовании, задается режим работы цикличного характера. За выполнением необходимых параметров следит контролирующая система управления, в нужный момент вносящая регулирующие поправки в настройки.

Опции и функции безопасности газовых агрегатов

Главнейшая функция – безаварийная работа и безопасный процесс. Кроме того, функционал дополнен такими задачами и целями:

• выполнение розжига при пуске в работу;
• прекращение работы по заданной программе;
• индикация различных режимов по цветовому спектру;
• регулирование номинальной мощности;
• аварийная остановка.

Комфортным и эффективным использованием газовых котлов сделает автоматика с возможностями:

• сигнала о неисправности;
• поддержания циркуляции;
• защитой от заклинивания в системах и узлах;
• защитой от замерзания;
• таймером.

Бесперебойность процесса эксплуатации обеспечивают:

• электромеханические контакты;
• контроллер среды в помещении;
• устройства арматуры;
• уровневые реле;
• сенсорный экран;
• датчик наполнения контура.

Котел прекращает работу посредством перекрытия газа в таких случаях:

• на запальнике нет пламени;
• опасность угара;
• утечка газа;
• проблемы в магистрали с давлением.

Такие аварийные ситуации чреваты загазованностью в жилище, поэтому использование автоматики обязательное и необходимое условие эксплуатации.

Потребитель, исходя из требований к системе обогрева, своих потребностей, финансовых возможностей, самостоятельно подбирает компоненты системы автоматики газовых котлов.

Механическая автоматика

Разновидности блоков и клапанов

Автоматика газовых котлов индивидуального отопления и систему горячего водоснабжения для бытовых нужд различными производителями модифицируется и модернизируется. Различается по таким факторам:

• тип розжига – электрический или пьезоэлектрический;
• защита от конденсата – конвекционная либо конденсационная;
• вид горелки – вентилирующая и атмосферная;
• по способу отвода переработанных энергоресурсов – парапетные, дымовые, турбинные;
• по материалу теплообменника – медные, нержавеющие, чугунные, углеродистые;
• конструкция теплообменника – змеевидная, раздельная, битермическая;
• по возможности нагревать воду – двухконтурные, одноконтурные;
• по размещению – напольные, навесные.

Торговые марки, производящие автоматику безаварийности предлагают широкий модельный ряд разнообразных блоков, которые соединяют в себе:

• температурный регулятор;
• датчики;
• реле;
• котроллеры;
• клапаны.

Клапан котлов представляет собой один из уровней газопроводной оснастки. Он контролирует, корректирует, перераспределяет и закрывает поток энергоносителя. Клапан оснащен седлом и поршнем. Его положение 1-3 стадийное или модуляционное с плавным ходом.

Автоматические газовые котлы с комбинированным клапаном включаются вручную. Перекрытый топливный тракт открывается нажатием на шайбу, в результате чего газ нагнетается в камеры теплового генератора и поступает к запальнику. Термочувствительный компонент срабатывает в течение 10-20 секунд, шайба опускается. Далее шайбу проворачивают до заданного положения, открывая топливу свободный доступ в камеру горения, которая воспламеняется от запальника.

Напольный котел

Автоматика предназначена регулировать и поддерживать заданную температуру, контроль и вмешательство пользователя в этот процесс не требуется. Среда в капиллярном модуле при нагревании расширяется, жмет на пружину, и закрывает его при максимально допустимой температуре. Горелка не горит до полного остывания термопары.

Шлюзы Wago для систем автоматизации зданий

Шлюзы WAGO

Техника автоматизации зданий

Шлюз WAGO обеспечивает обмен данными между системами домашней автоматизации или автоматизации зданий и отопительными приборами Viessmann (с интерфейсом CAN) по протоколу Modbus или BACnet.

Модульная конструкция

Сертификат UL

Шлюз WAGO BACnet/IP

Для связи BMS с системами отопления по IP-протоколу BACnet. Доступен с маршрутизатором MS/TP или без него.

Шлюз WAGO MB/RTU

Для связи BMS с системами отопления по протоколу Modbus RTU.

Шлюз WAGO MB/TCP

Для связи BMS с системами отопления по протоколу Modbus TCP.

Шлюзы WAGO для систем автоматизации здания

Шлюз WAGO обеспечивает обмен данными между котлами Viessmann с интерфейсом данных CAN и системой автоматизации здания по протоколу Modbus или BACnet. Шлюз WAGO имеет встроенный интерфейс CAN для связи с отопительными приборами Viessmann.

Шлюз WAGO обеспечивает связь с внешними системами управления для следующих функций:

• Работа/управление системой отопления (например, значения настроек, условия работы)
• Мониторинг рабочих данных системы отопления (например, просмотр текущих значений, рабочих условий)
• Пересылка сообщений (например, сообщений об ошибках)

Точки интереса можно быстро и легко выбрать с помощью инструмента конфигурации «WebVisu», доступ к которому можно получить через встроенный веб-сервер.
 

Определение точек данных и параметров связи с помощью инструмента настройки WebVisu

Расширенные возможности фильтрации и выбора необходимых точек данных повышают прозрачность при определении правильных точек данных.

Можно импортировать данные конфигурации в шлюз или экспортировать их из устройства либо с помощью инструмента конфигурации, либо через интерфейс карты. С помощью функции экспорта XML необходимые точки данных можно экспортировать, а затем импортировать в инструмент проекта.

Устройство имеет функции диагностики шлюза и интерактивную справку. Для повышения безопасности данных встроенный инструмент настройки требует авторизации для доступа.

Инструмент WebVisu

Обзор точек данных, доступных в WebVisu для систем Modbus. Изображение предоставлено WAGO.

Системный Обзор

Шлюз WAGO MB/TCP — обзор системы сети Modbus

Документация

Обновление ПО

Программа загрузки WAGO для обновления микропрограммы шлюза

Как обновить шлюз WAGO

Для обновления программного обеспечения необходимо выполнить следующие шаги:

1. Загрузите соответствующий zip-файл ниже (обратите внимание на правильный вариант BUS) и затем распакуйте его.

2. Поместите распакованный файл прошивки в ту же папку, что и программа WAGO Upload.

3. Откройте программу WAGO Upload и выберите нужный файл прошивки; подтвердите выбор с помощью ОК.

4. Найдите свой шлюз WAGO с помощью программы загрузки и нажмите «Далее», чтобы начать обновление.

Примечание. Более подробные инструкции можно найти в Руководстве по вводу в эксплуатацию WAGO на стр. 11 и 12.

 

Идеальное сочетание – системная технология

«Целое больше, чем сумма его частей». В соответствии с этой философией Viessmann производит не только отдельные компоненты отопительного оборудования, соответствующие высоким стандартам качества, надежности и эффективности Viessmann. Скорее, все продукты являются частью единой концепции, в которой все компоненты дополняют друг друга.

Системная техника Viessmann включает в себя все необходимое для надежной и экономичной системы отопления. Блок управления Vitotronic с дистанционным управлением, мощные емкостные водонагреватели Vitocell для максимально удобного приготовления горячей воды, высококачественные гелиоустановки для экономичного отопления.

Узнайте больше о системных технологиях

Технологии оптимизации газовых котлов

Изменение климата в результате глобального потепления постепенно становится важной проблемой современного общества. Его основной причиной являются выбросы парниковых газов, являющиеся результатом в основном антропогенной деятельности, связанной со сжиганием ископаемых видов топлива, которые в настоящее время обеспечивают более 85% мирового потребления энергии, и их использование постоянно увеличивается 9.0100[1] , несмотря на то, что они являются конечными ресурсами ^[2] . Такие приложения включают производство энергии и деятельность, связанную с энергетикой, в жилых и третичных зданиях. Еще одной важной проблемой, с которой сталкивается общество, является энергетическая бедность, которая в настоящее время остается проблемой даже для развитых стран и тесно связана с современным уровнем жизни, влияя на здоровье и эмоциональное состояние тех, кто с ней сталкивается ^[3] . Для решения этих проблем рассматривается несколько вариантов обеспечения устойчивости и доступности энергии, в том числе (а) переход на чистые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и гидроэлектроэнергия ^[4] , (b) переход на более экологически чистые виды топлива, такие как сланцевый газ и природный газ ^{[5] [6]} , даже в качестве переходного топлива в направлении полной декарбонизации к 2050 году ^[7] и (c) повышение эффективности существующих энергопотребляющих устройств ^{[8] [9]} , таких как промышленные, коммерческие, жилые и общественные здания. Что касается последнего, в Европейском зеленом соглашении есть положения, требующие от государств-членов ежегодно обновлять не менее 3% общей площади всех общественных зданий, а также множество других положений о действиях по повышению энергоэффективности ^[10] .

Новые технологии интеллектуальных сетей, искусственного интеллекта, Интернета вещей и умных домов обеспечивают основу для новых решений, которые также могут привести в этом направлении. Вышеупомянутые технологии предоставляют прекрасную возможность для разработки решений по энергоэффективности природного газа, используя данные из зданий в режиме реального времени и соответствующим образом развертывая методологии управления. Методологии управления, разработанные для оптимизации энергоэффективности, также могут быть использованы в качестве основы для систем, предназначенных для планирования и перемещения энергетических нагрузок в течение дня с учетом удобства пользователя. Эти решения касаются реакции на спрос (DR), которая представляет собой концепцию увеличения или уменьшения энергетической нагрузки, чтобы предложение соответствовало спросу и, следовательно, помогало поддерживать стабильность сети. В последние годы ДР в основном применялся в электрических нагрузках, как с точки зрения исследований, так и с точки зрения практических приложений ^[11] . Однако в последние годы та же концепция была оценена для других энергоносителей, включая природный газ, и даже для комбинации нескольких источников энергии, что определяет комплексное реагирование на спрос ^[12] .

На протяжении многих лет развитие технической и коммерческой жизнеспособности новых технологий, таких как Интернет вещей и искусственный интеллект, создало новые возможности для разработки и предоставления решений, ориентированных на энергоэффективность. Действительно, было разработано несколько среднесрочных и долгосрочных планов, направленных на достижение более зеленого будущего, таких как Рамочная программа Европейского Союза по климату и энергетике на период до 2030 года, в которой, среди других ключевых целей, определены цели по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ) за счет не менее чем на 40% и повысить общую энергоэффективность ЕС не менее чем на 32,5% до 2030 г. ^[13] . ЕС также предложил ряд долгосрочных целей, направленных на достижение полной климатической нейтральности к 2050 году ^[14] . Основываясь на вышеизложенном, ЕС обновил рамки своей энергетической политики и опубликовал восемь новых энергетических правил, направленных на то, чтобы оказать влияние с точки зрения потребителей, окружающей среды и экономики ^[9] . Эти правила, большинство из которых определяются законодательными инициативами, должны быть приняты всеми странами ЕС и преобразованы в национальное законодательство, и они включают директивы по улучшению энергоэффективности зданий и повышению энергоэффективности ^[15] .

Европейская комиссия посредством программ финансирования, таких как «Горизонт 2020» и «Горизонт Европа», предлагает исследователям стимулы для разработки инновационных решений в области энергоэффективности. Таким примером является раздел «Безопасная, чистая и эффективная энергетика» программы «Горизонт 2020», в которую на период 2014–2020 гг. было инвестировано около шести миллиардов евро на неядерные энергетические цели, при этом основным приоритетом является сектор энергоэффективности ^[16] . В ответ на цели по энергоэффективности, установленные ЕС, государства-члены также приняли различные меры для поощрения действий по повышению энергоэффективности. Например, Германия, которая на данный момент является одной из самых энергоэффективных стран мира, внедрила ряд политик и мер, направленных как на жилые, так и на промышленные здания ^[17] . Что касается жилых зданий, существует два стимула повышения энергоэффективности: (а) федеральное финансирование для повышения эффективности существующих зданий и (б) снижение налогов на применение решений, связанных с энергетикой.

Другой, более глобальный подход был определен Парижским соглашением ^[7] , которое было инициировано в 2015 году, когда оно затронуло 55 стран, на долю которых приходится 55% общих глобальных выбросов парниковых газов. К соглашению постоянно присоединяются все больше стран, в общей сложности 189 сторон, которые ратифицировали его до мая 2020 года ^[18] . Его основная цель состоит в том, чтобы ограничить повышение глобальной средней температуры до 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем и помочь развивающимся странам перейти на новые технологии, ориентированные на энергоэффективность.

Аналогичным образом в 2010 году было создано Министерство чистой энергетики, которое представляет собой глобальный форум, на котором крупные экономики сотрудничают для обмена и продвижения передового опыта и политики в отношении глобальной экономики экологически чистой энергии. Среди стран-участниц представлены крупнейшие мировые экономики, в том числе Китай, который также взял на себя обязательства по минимизации своего углеродного следа за счет сокращения выбросов углекислого газа на 60–65% по сравнению с уровнем 2005 года к 2030 году.

3. Бытовое отопление

Домашнее отопление так же необходимо сегодня, как и на протяжении всей истории человечества, и потребность в нем неуклонно растет из-за соответствующего увеличения населения мира. В то время как на протяжении большей части прошлого века топливом, используемым для выработки тепла, была нефть или некоторые из ее побочных продуктов, в текущем столетии набирают популярность другие виды топлива и системы отопления ^[19] , и среди них природный газ. Природный газ — это природная, невозобновляемая смесь углеводородных газов, имеющая множество применений, включая приготовление пищи, обогрев, мобильность (в виде сжатого природного газа или СПГ) и выработку электроэнергии в газовых турбинах открытого и комбинированного циклов (ГТУ). и ПГУ соответственно).

Причиной его более широкого использования (природный газ доминирует в тепловом и энергетическом обеспечении Европы ^[20] ) является тот факт, что он обеспечивает более высокую эффективность преобразования по сравнению с другими видами топлива (уголь, сырая нефть, нефтепродукты и т. д.). Он также выделяет значительно меньше углекислого газа при сгорании. Эта последняя особенность идеально согласуется с глобальной инициативой по уменьшению глобального потепления, превращая природный газ в идеальное топливо, одновременно эффективное и более экологически безопасное, чем другие альтернативы. Именно по этой причине Европейская комиссия определила природный газ в качестве переходного топлива для достижения намеченной цели полной декарбонизации к 2050 году9.0003

Технология котла играет важную роль как в составе, так и в количестве парниковых газов, выделяемых при сжигании газа, но ключевой характеристикой для любого типа пользователя, жилого или промышленного, является энергоэффективность. Котлы старой технологии, также известные как обычные котлы, менее эффективны и экологичны по сравнению с конденсационными котлами. Конденсационные котлы потребляют меньше топлива и на 23% меньше воздействуют на окружающую среду ^[21] . Однако стоит отметить, что, согласно национальному исследованию, проведенному в Италии, национальное потребление для отопления жилых помещений существенно не увеличилось, а средний показатель NO _x Выбросы сократились благодаря достижениям в технологии котлов, несмотря на увеличение спроса на природный газ в период 1999–2011 гг. ^[22] .

Чтобы топливо поступало в котел, дом должен быть изначально подключен к газораспределительной сети, по аналогии с электросетью. Газ поступает в газопроводы в точках закачки (газовые скважины и/или хранилища) и по транспортным и распределительным сетям поступает в дома потребителей для развертывания. Это традиционный подход, при котором сжигание происходит локально для нужд отдельного дома. В некоторых случаях расширение современных городов и рост числа зданий, подключенных к газовой сети, требуют нового, более централизованного подхода. В некоторых городах выбрана общая модель, предназначенная для достижения скоординированного развития централизованных систем снабжения, работающих на природном газе, путем сжигания газа в тепловых станциях за пределами или вблизи каждого города и распределения тепловой энергии через систему централизованного теплоснабжения. потребители в городе ^[23] .

Принимая во внимание все характеристики природного газа, упомянутые выше, как (а) с точки зрения экономической выгоды для пользователя за счет множества доступных индивидуальных решений, так и (б) с точки зрения снижения воздействия на окружающую среду, становится ясно, что природный газ будет и впредь играть важную роль в бытовое отопление в обозримом будущем.

4. Оптимизация эффективности

Достижение более высокой энергоэффективности и снижения выбросов парниковых газов — это бесконечный процесс, ведущий к модификации котлов и более эффективным и экологически безопасным решениям. В этом разделе представлены некоторые известные разработки и прорывные решения, разделенные на следующие категории:

• технологических достижений на этапе строительства;

• Методика совершенствования руководства по эксплуатации котла;

• автоматическая оптимизация во время работы котла.

Каждое из вышеперечисленных решений способствует повышению производительности бытового котла. Нижеописанные решения относятся к трем основным категориям в хронологическом порядке, как показано в Рисунок 1 .

Рис. 1. Методы оптимизации эффективности котла на каждом этапе.

4.1. Котельные технологические достижения на этапе строительства

Котельные системы долгое время широко использовались в качестве движущей силы промышленной революции, но первоначально они не применялись в бытовых условиях до середины 20-го века в той форме, которая используется сегодня ^[24] . Традиционные котлы были спроектированы только с одним режимом работы, то есть двухпозиционным. Это означает, что они могли работать только на полную номинальную мощность. Таким образом, во многих случаях котел включался, чтобы удовлетворить нагрузку, а затем снова выключался несколько раз, увеличивая количество циклов котла. Это увеличение количества циклов котла приводит к потерям в цикле, что делает котел менее энергоэффективным и увеличивает износ оборудования. Важным нововведением, позволившим сократить количество циклов котла, является способность котла непрерывно модулировать свою мощность, а именно работать в диапазоне между минимальным и максимальным уровнем модуляции 9.0100 [25] . Производители начали предлагать устройства с несколькими режимами работы, что позволяет системе адаптировать свою реакцию в зависимости от нагрузки и не работать в полном режиме. В результате большинство современных котлов модулируются.

Еще одним важным усовершенствованием системы отопления жилых помещений стало внедрение конденсационных котлов. В традиционном неконденсационном котле часть тепла теряется в виде горячих газов, выходящих из дымохода, тогда как конденсационные котлы улавливают это тепло и передают его воде, возвращающейся из системы центрального отопления. Результатом этого процесса является более низкая температура продуктов сгорания, рециркуляция выхлопных газов через конденсационный теплообменник и снижение выбросов CO 9 .0164 2 выбросы. Все эти характеристики делают конденсационные котлы более безопасными и экологичными, а также более эффективными, достигающими уровня эффективности до 99%. Такой высокий уровень эффективности достигается за счет использования отработанного тепла дымовых газов для предварительного нагрева холодной воды, поступающей в котел ^[26] . Были также сделаны запросы в отношении материалов, используемых для различных компонентов котла. В статье, написанной Liu et al. по выбросам и тепловому КПД в конденсационных газовых котлах с предварительным смешением были исследованы два разных типа горелок, металлическое волокно и нержавеющая сталь, при различных тепловых нагрузках и расходах воздуха, чтобы определить, какие из них наиболее подходят и эффективны для конденсационных котлов ^[27] .

Другие попытки уменьшить воздействие на окружающую среду при одновременном достижении удовлетворительных характеристик сгорания включают использование различных катализаторов горения ^[28] . Некоторые европейские производители предлагают бытовые газовые котлы, способные сжигать газы разного состава с автоматической регулировкой коэффициента избытка воздуха. Один из рассмотренных случаев представляет собой смесь природного газа и водорода. Синь и др. выполнили моделирование для определения наилучшего соотношения объемов водорода и природного газа во время сгорания и пришли к выводу, что метод смешивания водорода может помочь повысить температуру и скорость сгорания и уменьшить выбросы дымовых газов и CO2/NOx ^[29] . Присутствие легковоспламеняющегося водорода требует повышенного контроля над процессом горения; Типы систем, используемых для управления процессом горения в бытовых котлах, работающих на природном газе, — это «Анализ дымовых газов» и «Пламенная ионизация» ^[30] .

4.2. Методы улучшения руководства по эксплуатации котла

Ручная оптимизация используется для описания любого процесса, который может улучшить функциональность котла, начиная с этапа проектирования и производства и заканчивая установкой и началом эксплуатации. С первого дня создания котлы проектируются и строятся с целью достижения максимальной эффективности. В настоящее время существуют рекомендации и методы, которые производители могут использовать при проектировании котлов в отношении их эффективности и безопасности 9.0100 [31] ^[32] . Эти методы имеют решающее значение для обеспечения оптимальной работы котла; пренебрежение ими может привести к серьезным проблемам с производительностью.

Тем не менее, есть еще возможности для улучшения. Как было сказано выше, котлы на природном газе делятся на две категории в зависимости от того, улавливают ли они уходящее тепло от дымовых газов: обычные и конденсационные. Стоит отметить, что обычный котел можно переоборудовать в конденсационный даже после его установки ^[33] . Это приводит к значительному повышению эффективности котла за счет простого добавления конденсационного теплообменника, и его можно применять после этапа строительства.

Еще одной важной процедурой, которой обычно пренебрегают и которая играет решающую роль в работе, износе и продолжительности жизни котла, является техническое обслуживание. Многие пользователи пренебрегают тем фактом, что их котел – это машина, требующая регулярной настройки для номинальной работы. Важность технического обслуживания такова, что исследования были посвящены поиску моделей для прогнозирования необходимого технического обслуживания зданий с учетом дискомфорта пользователя 9.0100 [34] . Кроме того, частое техническое обслуживание повышает надежность систем, снижает опасность котла и потенциально снижает затраты ^[35] , в то же время снижая любые потенциальные риски для здоровья жителей здания ^[36] . Автоматическое раннее обнаружение неисправностей может помочь процессу надлежащего обслуживания, предупреждая жильцов при обнаружении возможных проблем в работе. Достижение достаточной точности в процессе обнаружения неисправностей имеет большое значение в этом контексте. Шохет и др. протестировали различные алгоритмы машинного обучения (K-ближайшего соседа, дерево решений, случайный лес и метод опорных векторов) в моделируемой среде с 14 различными котлами ^[37] . Результаты были впечатляющими, продемонстрировав точность более 95% в моделях, обученных для каждого котла, но сделать обобщение было невозможно. Это свидетельствует о том, что с помощью описанной методологии сложно создать единую робастную модель, которую можно использовать как обобщенный подход для обнаружения неисправностей во всех котлах, а вместо этого можно обучать модели конкретно для каждого котла, развертывая их при настройке. фазе и устанавливается перед фазой эксплуатации, чтобы информировать пользователя о возможных ошибках, которые затем потребуют ручного исправления ошибок.

Наконец, функциональные параметры работы котла могут играть решающую роль в его эффективности при нормальной повседневной эксплуатации. Ву и др. ^[38] оптимизировал эффективность котла за счет использования алгоритма искусственной пчелиной семьи (ABC) для определения функциональных параметров (температуры выхлопных газов, объемного процента O ₂ , горючих материалов в летучей золе и процента загрузки котла) которые минимизируют тепловые потери системы, основанные на модели полноты сгорания котла. Полученные параметры можно использовать для точной настройки котла перед его эксплуатацией и после его строительства для обеспечения оптимальной эффективности. Тестовый пример показывает, что методология ABC работает лучше, чем генетический алгоритм (GA), обеспечивая более быструю сходимость и повышенную надежность.

Тем не менее, несмотря на то, что литература в основном посвящена вопросам оптимизации КПД отдельных котлов, авторы ^[39] сделали интересный вывод о зональном регулировании бытового отопления, где под зональным регулированием понимается отопление помещений резиденции только тогда, когда они были «оккупированы». В пилотном исследовании 8-недельного зимнего тестового периода в Великобритании дом с зональным управлением потреблял на 11,8% меньше газа, несмотря на снижение средней дневной эффективности котла на 2,4 процентных пункта по сравнению с обычным отоплением. Этот незначительный метод параметризации указывает на важность добавленной стоимости, которую может иметь интеллектуальная система отопления, и на огромный потенциал автоматизированных решений.

4.3. Автоматическая оптимизация на этапе эксплуатации котла

Как обсуждалось выше, достижение более высоких уровней эффективности использования энергии, особенно для котлов, работающих на природном газе, которые составляют основной предмет этой работы, и минимизация выбросов парниковых газов являются основными целями Энергетической политики ЕС ^{[ 13]} . Методы, обсуждавшиеся в предыдущих разделах, в основном основаны на хорошо известных практиках, улучшениях на этапе проектирования или добавлении/модернизации различных отсеков, которые могут повысить производительность котла. Однако быстрый рост науки о данных и разработка более интеллектуальных алгоритмов открыли новые возможности, которые позволяют еще больше улучшить работу машин за счет анализа и применения программных инструментов. Эти новые возможности могут помочь настроить машины для оптимальной работы, но они также обеспечивают дополнительную ценность, предлагая автоматизированные решения в реальном времени, которые требуют минимального вмешательства извне/человека.

Чтобы создавать энергоэффективные здания и внедрять решения в области автоматического управления, необходимо, прежде всего, лучше понять различные факторы, влияющие на их энергопотребление и эффективность. Первым шагом в этом процессе является разработка модели оценки, которая эффективно работает для различных типов зданий. Такая модель была реализована с использованием многомасштабного анализа и протестирована Tronchin et al. ^[40] . Среди различных параметров, используемых для такой системы, решающим параметром является рейтинг энергоэффективности здания, поскольку он содержит важную информацию о его тепловом поведении. Стремление к определенному энергетическому профилю здания и возможность учитывать его на этапе проектирования может оказаться значительным преимуществом ^[41] , при этом полученные данные потенциально могут быть полезны при выборе и настройке как ручных, так и автоматизированных решений по оптимизации эффективности, которые будут развернуты позже.

Котел проектируется и строится в среде, которая имеет совершенно иные условия, чем та, в которой он должен работать. Это принципиальное отличие требует дополнительных действий для обеспечения того, чтобы каждый котел работал оптимально в зависимости от среды, в которой он размещен и установлен. ● Погода является важным аспектом при попытке обеспечить отопление здания/дома. Он постоянно меняется и может быть совершенно непредсказуемым. Таким образом, любая система, отвечающая за отопление, должна быстро адаптироваться к изменениям погоды и в определенной степени предсказывать свое поведение в будущем. Погодозависимая компенсация — это способность системы учитывать погодные изменения и настраиваться на работу наиболее эффективным образом, обеспечивая замечательную основу для автоматизированных решений по оптимизации. Интересный подход был предложен Ping et al. ^[42] , который разработал метод прогнозирующего управления моделью (MPC) для управления процессом нагрева на основе компенсации прогноза погоды. MPC представляет собой усовершенствованный метод управления процессом, который используется для управления процессом при соблюдении набора ограничений. Основным преимуществом MPC является тот факт, что он позволяет оптимизировать текущий временной интервал с учетом будущих временных интервалов. Предлагаемая система получает в режиме реального времени температуру в помещении и окружающей среде, а также прогноз температуры окружающей среды на будущие временные интервалы и соответствующим образом регулирует подачу тепла на основе ограничений теплового комфорта и моделирования термодинамики здания. Результаты моделирования показывают, что задержка нагрева и перегрев помещения из-за тепловой инерции ограничены, обеспечивая в целом лучший пользовательский опыт в отношении теплового комфорта и устраняя потери энергии, потребляемой при нагреве помещения выше уровня комфорта, что чаще всего случай при использовании более классических подходов к управлению.

В большинстве коммерческих систем, использующих погодную компенсацию, температура теплоносителя рассчитывается как функция некоторой заданной зависимости от наружной температуры, называемой кривой нагрева. Этот подход, однако, часто не учитывает физику и условия здания и не может рассчитывать будущие внешние условия, что приводит к избыточному потреблению энергии для поддержания теплового комфорта пользователей. С помощью MPC была разработана удобная система неинвазивного дополнительного модуля, который может подключаться к существующим терморегуляторам для управления потребностями здания в отоплении ^[43] . Система была развернута в течение отопительного сезона 2013–2014 гг. в нескольких местах, и результаты оказались весьма обнадеживающими, обеспечив положительную экономию энергии на всех испытательных площадках.

Другой подход заключается в использовании методологий прогнозирующего управления данными (DPC), таких как модели прогнозирования нейронных сетей и соответствующие алгоритмы машинного обучения. Прогностическое управление данными — это структура, разработанная для сочетания простоты методов на основе моделей с прогностическими возможностями управления на основе данных. Используя алгоритмы DPC, можно синтезировать прогнозирующие управляющие решения на конечном горизонте после изучения моделей динамических систем на основе исторических данных. Конечно, не все модели подходят для решения всех задач, но их можно легко модифицировать для аналогичных целей. В последние годы внедрение контроллеров, предназначенных для размещения моделей нейронных сетей, увеличило возможности локальной обработки информации и принятия решений, что обеспечивает большую автономность, расширенные возможности и надежность. Пример такого контроллера был предложен в 2015 году Meng et al. ^[44] . Исследовательская группа представила улучшенную версию алгоритма управления традиционной нейронной сетью PID (PIDNN) с дополнительным импульсом, который используется для повышения эффективности обучения и решения проблемы локальных минимумов, а также введение улучшенной оптимизации роя частиц, которая помогает инициализировать веса нейронной сети. Моделирование проводилось с помощью системы нелинейной связи с несколькими переменными и показало, что предложенный алгоритм демонстрирует улучшения с точки зрения времени регулирования и точности управления по сравнению с исходным алгоритмом. Несмотря на то, что представленный подход к управлению не разработан и не протестирован непосредственно для сценария оптимизации котла, представленные методологии управления потенциально могут применяться в качестве альтернативы традиционным методам управления котлом. Смарра и др. ^[45] разработал методологию управления на основе данных, основанную на случайных лесах и деревьях регрессии, где в режиме реального времени контролировался двухпозиционный котел на биомассе вместе с другими источниками энергии. Тестовые случаи, которые содержат как смоделированный случай, так и реальный сценарий дома, показали положительные результаты, особенно в случае случайных лесов. Макарулла и др. ^[46] представил стратегию адаптивного управления, ориентированную на коммерческие здания, с помощью нейронных сетей с прямой связью. Предлагаемая система отправляет команды включения/выключения котлам через определенные промежутки времени, пытаясь одновременно минимизировать общее потребление и потерю комфорта пользователя.

Цумалис и др. предложил другую методологию DPC, в которой нейронные сети LSTM используются для прогнозирования изменения температуры в помещении и нагрузки котла в краткосрочной перспективе (30-минутный просмотр вперед), а генетический алгоритм (GA) использовался для получения оптимального котла. конфигурация с учетом теплового комфорта пользователя и минимизации расхода газа ^[47] . Результаты, полученные в ходе испытаний в четырех реальных домах, показали значительное снижение потребления природного газа с минимальной потерей комфорта.

В таблице 1 приведены автоматизированные методы оптимизации/управления, представленные в литературе.

Поскольку автоматическая оптимизация обычно предполагает минимальное вмешательство пользователя или его отсутствие, одним из очень важных аспектов является мониторинг, который помогает гарантировать, что система работает в номинальных условиях, и выявляет любые проблемы или ошибки, связанные с безопасностью и производительностью.