Теплоаккумуляторы

Проектируя систему отопления в доме, необходимо учитывать, что не всегда пик выработки тепла совпадает с пиком его потребления. Поэтому, учитывая рост цен на энергоносители, современные технологии стремятся усовершенствовать отопительное оборудование таким образом, чтобы была возможность использовать как можно большее количество тепла с наименьшими затратами в течение максимально продолжительного периода времени.  Одним из таких усовершенствований магистрали, является теплоаккумулятор. По сути это бак для накопления горячей воды. Принцип его работы основывается на высоком показателе теплоёмкости для воды – для нагревания воздуха на 4 0С необходимо охладить воду всего на 1 0С. Использование таких приспособлений, как теплоаккумулятор, позволяет ощутимо экономить затраты на отопление дома. Это устройство не относится к разряду сложных – его вполне возможно сделать своими руками, если есть желание избежать лишних финансовых расходов.

Теплоаккумуляторы для котлов отопления.

   Отсутствие возможности использовать в качестве источника энергии для обогрева жилья относительно недорогой природный газ вынуждает хозяев домов искать другие приемлемые решения. Так, в регионах, где нет особых проблем с заготовкой или приобретением дров, на помощь приходят твёрдотопливные котлы. Случается и так, что единственной альтернативой становится электрическая энергия. Кроме того, все активнее используются новые технологии, позволяющие направлять на нужды отопления энергию солнечного излучения.

  Все эти подходы не лишены существенных недостатков. Так, к ним можно отнести неравномерность, выраженную периодичность поступления тепловой энергии. В случае с электрическим котлом основным негативным фактором будет высокая стоимость потребленной энергии. Очевидно, что существенно поднять экономичность системы отопления, улучшить эффективность, равномерность ее работы, максимально упростить эксплуатационные операции помогло бы включение в общую схему специального прибора, который стал бы накапливать невостребованную в текущий момент тепловую энергию и отдавать ее по мере необходимости. Именно такую функцию выполняет теплоаккумулятор для котлов отопления.

Основное предназначение теплоаккумулятора системы отопления.
  • Простейшая система отопления с твердотопливным котлом обладает выраженной цикличностью работы. После загрузки дров и их розжига, котел постепенно выходит на максимальную мощность, активно передавая тепловую энергию в контуры отопления. Но по мере прогорания загрузки теплоотдача начинает постепенно снижаться, и теплоноситель, разносимый по радиаторам, остывает.

 

Работа обычного твердотопливного котла характеризуется выраженным чередованием пиков и «провалов» в выработке тепловой энергии

Получается, что в период пиковой выработки тепла оно может остаться невостребованным, так как настроенная, оснащенная термостатическим регулированием система отопления лишнего не возьмет. Но в период догорания топлива и, тем более, простоя котла тепловой энергии будет явно недоставать. В итоге часть топливного потенциала расходуется просто впустую, но при этом хозяевам приходится достаточно часто заниматься загрузкой дров.

В определенной степени остроту этой проблемы можно снизить установкой котла длительного горения, но полностью снять – не получается. Несовпадение пиков выработки тепла и его потребления может оставаться достаточно существенным.

  • В случае с электрокотлом на первый план выступает высокая стоимость потребляемой энергии, что заставляет хозяев задуматься о максимальном использовании оборудования в периоды действия льготных ночных тарифов и минимизации потребления в дневные часы.

Напрашивается очевидное решение – накапливать тепловую энергию ночью, чтобы достичь минимального потребления ее днем.

  • Еще ярче выражена периодичность выработки тепловой энергии в случае использования солнечных коллекторов. Здесь прослеживается зависимость не только от времени суток (ночью поступление вообще нулевое).

 

Работа солнечного коллектора очень зависима и от времени суток, и от погоды

Не поддаются никакому сравнению пики нагрева в яркий солнечный день или в пасмурную погоду. Понятно, что напрямую ставить свою систему отопления в зависимость от текущих «капризов» природы – никак нельзя, но и пренебрегать столь мощным дополнительным источником энергии также не хочется. Очевидно, что требуется какое-то буферное устройство.

Эти три примера, при всей их разноплановости, объединяет одно общее обстоятельство – явное несовпадения пиков выработки тепловой энергии с рациональным равномерным ее использованием на нужды отопления. Для устранения этого дисбаланса и служит специальный прибор, называемый теплоаккумулятором (тепловым накопителем, буферной емкостью).

Принцип его действия основан на высокой теплоемкости воды. Если значительный ее объем в период пикового поступления тепловой энергии разогреть до необходимого уровня, то в течение определенного периода можно для нужд отопления использовать этот накопленный энергетический потенциал. Для примера, если сравнивать теплофизические показатели, то всего один литр воды при остывании на 1°С способен разогреть кубометр воздуха на целых 4 °С.

Тепловой аккумулятор всегда представляет собой объемный резервуар с эффективной внешней термоизоляцией, подключенный к контуру (контурам) источника тепла и контурам отопления. Простейшую схему лучше рассмотреть на примере:

Наглядная демонстрация принципа работы простейшего теплового аккумулятора

Самый простой по конструкции теплоаккумулятор (ТА) – это вертикально расположенный объемный бак, в который с двух противоположный сторон врезаны четыре патрубка. С одной стороны он подключён к контуру твердотопливного котла (КТТ), а  с другой – к разведенному по дому контуру отопления.

После загрузки и розжига котла циркуляционный насос (Nк) этого контура начинает прокачивать теплоноситель (воду) через теплообменник. Из нижней части ТА в котел поступает остывшая вода, а в верхнюю прибывает разогретая в котле. Из-за существенной разницы плотности остывшей и горячей воды ее активного перемешивания в баке не будет – в процессе горения топливной закладки будет происходить постепенное заполнение ТА горячим теплоносителем. В итоге, при правильном расчете параметров, после полного прогорания заложенного горючего, емкость будет заполнена горячей водой, разогретой до расчетного уровня. Вся потенциальная энергия топлива (за вычетом, конечно, неизбежных потерь, отраженных в КПД котла), преобразована в тепловую, которая накоплена в ТА. Качественная термоизоляций позволяет сохранять температуру в баке в течение многих часов, а иногда даже – и дней.

Вторая стадия – котел не работает, но функционирует система отопления. С помощью собственного циркуляционного насоса контура отопления происходит прокачка теплоносителя по трубам и радиаторам. Забор производится сверху, из «горячей» зоны. Интенсивного самостоятельного перемешивания опять же не наблюдается – по уже упомянутой причине, и в трубу подачи поступает горячая вода, снизу возвращается охлажденная, и бак постепенно отдает свой нагрев в направлении снизу вверх.

На практике, в процессе топки котла отбор теплоносителя в систему отопления, как правило, не прекращается, и ТА будет накапливать лишь избыточную энергию, которая в текущий момент остается невостребованной. Но при правильном расчете параметров буферной емкости, ни один киловатт тепловой энергии не должен пропасть даром, и к концу цикла топки котла ТА должен быть в максимальной мере «заряжен».

Понятно, что цикличность работы подобной системы с установленным электрическим котлом будет завязана на льготные ночные тарифы. Таймер блока управления включит и выключит питание в установленный срок вечером и утром, а в течение дня контуры отопления будут питаться только (или преимущественно) из теплоаккумулятора.

Конструктивные особенности и основные схемы подключения различных теплоаккумуляторов.

Итак, теплоаккумулятор всегда представляет собой объемный резервуар вертикального цилиндрического исполнения, имеющий высокоэффективную термоизоляцию и снабженный патрубками для подключения контуров генерации тепла и его потребления. А вот внутренняя конструкция может различаться. Рассмотрим основные типы существующих моделей.

Основные типы конструкций теплоаккумуляторов.

Теплоаккумулятор с прямым подключением контуров

выработки и потребления тепловой энергии

 1 – Самый простой тип конструкции ТА. Подразумевается прямое подключение и источников тепла, и контуров потребления. Такие буферные емкости используются в следующих случаях:

  • Если в котле и во всех контурах отопления применяется одинаковый теплоноситель.

  • Если максимально допустимое давление теплоносителя в контурах отопления не превышает аналогичный показатель котла и самого ГА.

В том случае, когда требование выполнить невозможно, подключение контуров отопления может производиться через дополнительные внешние теплообменники

  • Если температуры в трубе подачи на выходе их котла не превышает допустимой температуры в контурах отопления.

Впрочем, это требование также может быть обойдено при установке на контуры, требующие более низкого температурного напора, смесительных узлов с трёхходовыми кранами.

Теплоаккумулятор со встроенным теплообменником

 2 – Теплоаккумулятор снабжен внутренним теплообменником, расположенным в нижней части емкости. Теплообменник обычно представляет собой спираль, свитую из стальной нержавеющей трубы, обычной или гофрированной. Таких теплообменников может быть несколько.

Подобный тип ТА применяется в следующих случаях:

  • Если показатели давления и достигаемой температуры теплоносителя в контуре источника тепла существенно превосходят допустимые значения для контуров потребления и для самой буферной емкости.

  • Если есть необходимость подключения нескольких источников тепла (по бивалентному принципу). Например, на помощь котлу приходят гелиосистема (солнечный коллектор) или геотермальный тепловой насос. П