Принцип работы теплоаккумулятора (буферной ёмкости)

Принцип работы теплоаккумулятора (буферной ёмкости) основан на использовании высокой теплоёмкости воды. Так, например 1 литр воды, остыв на 1°C, может нагреть 1м³ воздуха на 4°C.

Рассмотрим принцип работы аккумулятора тепла на примере простейшей конструкции буферной ёмкости без встроенного теплообменника, дополнительного бака нагрева воды и прочих принадлежностей. Такой теплоаккумулятор представляет собой ёмкость с четырьмя патрубками, два из которых находятся в верхней, а другие два в нижней части бака. Источником тепла будет твердотопливный котёл, а потребителем система отопления.

Подающий трубопровод от твердотопливного котла подключается к верхнему патрубку, а обратный к нижнему патрубку бака накопителя. В обратном трубопроводе устанавливаем циркуляционный насос, выкачивающий воду из бака. После, включаем циркуляционный насос и разжигаем котёл. Насос отбирает из нижней части теплоаккумулятора холодную воду и подаёт в котёл, горячая вода выходящая из котла попадает в верхнюю часть бака. Горячая вода легче холодной, поэтому интенсивного перемешивания воды в аккумуляторе тепла не происходит и насос будет отбирать из нижней части бака холодную воду до тех пор, пока весь бак не будет заполнен горячей водой. В случае с твердотопливным котлом объём теплоаккумулятора рассчитывают таким образом, чтобы его хватило для аккумулирования тепла, выделенного при сгорании разовой загрузки топлива.

Топливо прогорело, а бак аккумулятор заполнен горячей водой. Тепловая изоляция бака позволяет сохранить воду горячей на протяжении нескольких часов, или даже суток, поэтому тепло полученное вечером, можно использовать всю ночь или только утром. К моменту разбора тепла мы имеем полный бак горячей воды.

Ко второму верхнему патрубку присоединён подающий трубопровод, а ко второму нижнему обратный трубопровод системы отопления. Циркуляционный насос, установленный на обратном трубопроводе, подаёт воду в бак. В результате получился второй циркуляционный контур. После включения, циркуляционный насос системы отопления подаёт холодную воду в нижнюю часть бака, вытесняя в подающий трубопровод системы отопления из верхней части теплового аккумулятора горячую воду. Так как холодная вода тяжелее горячей интенсивного перемешивания в баке не происходит, и холодная вода остаётся в нижней части бака. Поэтому пока холодная вода не заполнит весь объём аккумулятора тепла, в систему отопления будет поступать горячая вода.

Время работы системы отопления на аккумулированном тепле зависит от мощности системы и объёма буферной ёмкости. Поэтому при подборе объёма теплоаккумулятора следует определить, какое из условий более приоритетно: обеспечить теплом систему заданной мощности на протяжении заданного времени или обеспечить аккумулирование тепла от источника определённой мощности на протяжении определённого времени.

Установку теплоаккумулятора выполняют в соответствии с проектом и инструкцией по монтажу, кроме того следует учесть следующие особенности:

Поверхность бака накопителя обязательно должна быть теплоизолирована.
На всех подводящих и отводящих трубопроводах следует установить термометры.
Баки теплоаккумуляторы ёмкостью более 500 литров могут не пройти в дверной проём.
Вблизи буферной ёмкости или в нижней её точке следует установить дренажный кран.
На трубопроводах загрузки теплового аккумулятора следует установить сетчатые фильтры.
Если в верхней части теплоаккумулятора не предусмотрено патрубка для отвода воздуха - воздухосборник с автоматическим воздухоотводчиком следует установить на выходящем патрубке из верхней части бака.
Вблизи бака аккумулятора устанавливают предохранительный клапан и манометр, а в случае использования теплоаккумулятора с теплообменными аппаратами, предохранительный клапан рекомендуется установить и в контуре подключённому к теплообменному аппарату.

Когда полезен теплоаккумулятор?

Твердотопливный котел — в схемах обвязки твердотопливных котлов буферная ёмкость позволяет регулировать теплопотребление, уменьшить частоту загрузок топлива и повысить эффективность работы котла за счёт полной загрузки даже летом.

Электрический котел — в схемах с электрическими котлами нагрев бака накопителя ночью по сниженному тарифу позволяет минимально потреблять электрическую энергию на отопление в дневное время используя аккумулированное тепло, что существенно снизит расходы на отопление.

Солнечный коллектор — в схемах подключения солнечных коллекторов баки теплоаккумуляторы применяются для максимального накопления тепловой энергии во время пика поступления солнечной энергии и последующего её разбора во время недостаточного солнечного излучения. Баки аккумуляторы горячей воды, установленные непосредственно на солнечных коллекторах называют термосифонами.

По большему счёту, буферная ёмкость – это термос. Металлическая бочка в утеплителе от 500 до 1000 литров (можно больше, но обычно указанного объема достаточно). Чтобы понять, зачем она нужна, представьте себе такую ситуацию: Вы на даче решили попить чаю. Разожгли костёр, поставили на огонь чайник, вскипятили, сделали себе стаканчик и выпили. Замечательно. Через 2 часа Вам снова захотелось чая... Но вода уже остыла. И Вам опять необходимо разжигать костёр, ставить чайник и т.д. А теперь представьте, что у Вас есть термос… Закипятили один раз целый чайник воды, залили в термос и пьете чай целый день. Разжигать костёр и кипятить воду в этом случае Вам придётся только один раз. И отвлекаться будете меньше, и дрова сэкономите :)

В случае с системой отопления ситуация аналогичная. Буферная ёмкость способна накопить определённое количество тепла, а потом отдавать его постепенно.

Предположим, что Ваш дом имеет отапливаемую площадь 200 м2. Когда летом на улице температура такая же, как и в доме (+20°С), теплопотери равны 0, дом тепло не теряет. С уменьшением температуры на улице дом начинает терять тепло:

при +15°С дом теряет 2 кВт в час;
при +10°С - 4 кВт в час;
при +5°С - 6 кВт в час;
при 0°С - 8 кВт в час;

и так далее...
при температуре на улице -25°С теплопотери составят примерно 18кВт/час (цифры взяты для примера, точные теплопотери дома может рассчитать только специалист на основании предоставленных Вами данных о материалах, из которых построен дом, его утеплении и т.п.).

Для восполнения этих потерь тепла мы должны поставить котёл такой же мощности как и максимальные теплопотери дома, а лучше – даже чуть больше (а вдруг -35°С мороз стукнет :)). То есть мы ставим котёл 20 кВт.

Нужно отметить, что мощностью твердотопливного котла можно управлять в очень узких пределах. Или дрова горят (20 кВт), или – не горят (0 кВт). Можно, конечно, уменьшить доступ кислорода, прикрыв заслонку и снизить интенсивность горения, но эффект – незначительный. Будет киловатт 15, не меньше.

А теперь представим, что дело происходит ранней осенью. Котёл горит на минимуме и выдаёт 15 кВт мощности. Температура на улице - 0°С и дом теряет только 8 кВт. Не очень хорошо. Дров-то вы сжигаете на 15 кВт, т.е. почти в два раза больше чем нужно. Мало того, встаёт вопрос: куда деваются остальные 7 кВт? Есть два варианта:

перегретые радиаторы, в доме жарко;
закипевший котёл, что чревато повреждениями самого котла и всей системы отопления.

Котёл греет воду и при помощи циркуляционного Насоса 1 эта вода подаётся в буферную ёмкость. Соответственно, такой же объём воды, но остывшей, возвращается в котёл. Насос 2 подаёт горячую воду из верхней части буферной ёмкости к радиаторам. Такой же объём воды (остывшей) возвращается в нижнюю часть буферной ёмкости. Насос 1 работает тогда, когда горит котёл. К Насосу 2 подключён комнатный термостат, который может включать-выключать насос в зависимости от температуры в доме.

Посмотрим как «лишняя» мощность аккумулируется в буферной ёмкости. С помощью Насоса 1 тепловая мощность (нагретая котлом вода) передаётся буферной ёмкости. Пусть это будет 15 кВт из примера выше. Насос 2 отдаёт мощность радиаторам (возмещает теплопотери). Предположим, что производительности насосов равны. Соответственно, сколько тепловой мощности придёт в буферную ёмкость, столько же уйдёт на радиаторы (те же 15 кВт). Но у нас на дворе – осень :) (см. пример выше), температура 0°С, теплопотери дома 8 кВт. Мы подаём в радиаторы слишком много горячей воды. Что произойдёт? Температура в доме станет расти. Достигнет заданной на термостате комфортной (например 20°С) и Насос 2 выключится. Радиаторы через некоторое время начинают остывать, падает и температура в доме. Когда температура в доме упадёт ниже заданной на термостате, Насос 2 включится и снова будет греть радиаторы. То есть, Насос 1 работает постоянно, Насос 2 – с перерывами.

Так как их производительность одинакова, в буферную ёмкость будет приходить больше горячей воды, чем уходить. Соответственно, температура воды в буферной ёмкости будет повышаться. Так и происходит аккумулирование тепла. Теперь посмотрим, как мы отдаём набранное тепло. Котёл прогорел и Насос 1выключился. В буферную ёмкость тепло больше не поступает. Но Насос 2 продолжает работать в прежнем режиме, забирает из буферной ёмкости горячую воду и возвращает холодную. Температура в буферной ёмкости падает.

Так в чём же польза буферной ёмкости?

«Так в чём же польза?» - спросите Вы. «Температура в буферной ёмкости упадёт, и значит нужно снова топить котёл». Да, но как быстро она упадёт? В случае системы без буферной ёмкости температура начинает падать сразу и это падение начинает ощущаться человеком через 0,5 – 3 часа (в зависимости от температуры на улице, утеплённости дома и т.п.). Давайте посчитаем, насколько медленнее остывает система с буферной ёмкостью.

А расчёт прост. Мы говорили, что мощность котла – 20 кВт. Такую мощность при температуре отопительной воды 80°С отдают примерно 120 рёбер алюминиевых радиаторов. Объём воды в них составит 60 литров. Плюс вода в трубопроводах, котле, расширительном баке. Общий объём воды в системе отопления составит примерно литров 100. А с буферной ёмкостью (например, 500 литров) – 600 л. То есть в шесть раз больше. Соответственно и остынет этот объём воды в шесть раз медленнее. Вот и получится, что похолодание после остановки котла вы почувствуете не через 0,5-3 часа, а через 3 – 18 часов. Вот польза. То самое время, которое Вы можете не топить котёл. Плюс во время горения котла Вы не жаритесь на перегретых радиаторах, а имеете комфортные 20°С.

Экономический эффект можете прикинуть сами.

Дополнительные затраты в данном случае – это стоимость ёмкости, насоса, комнатного датчика, дополнительного расширительного бака, трубопровода обвязки и стоимость монтажа.

Экономия - в зависимости от того, чем будете топить: дровами, брикетом, углём. Ту часть отопительного сезона, когда температура за окном выше -15°С Вы будете тратить примерно в 2 раза меньше топлива. В те дни, когда температура "за окном" будет ниже -15°С, то эффект от буферной ёмкости не будет наблюдаться, т.к. сколько тепла будет "отдавать" котёл, столько же и будет уходить как теплопотери. Но таких дней в году не много, 20-30. Кстати, эти цифры подтверждаются практикой, т.е. теми людьми, которые такие системы эксплуатируют не менее одного сезона.

К дополнительным плюсам такой системы можно отнести:

Автоматизация контроля за безопасностью;
Возможность поэтажного регулирования температуры (или на несколько строений, например дом и баня);
Возможность подключения газового (или любого другого) котла с минимальными затратами.
Так же легко подключатся тепловой насос или солнечные коллектора.

Купить теплоаккумулятор