Теплоаккумулятор для системы отопления

Система обогрева частного дома на твердотопливном котле – далеко не самый лучший вариант с точки зрения стабильности и равномерности в достижении комфортной температуры, пока в систему не внедряется специальной накапливающий тепло модуль. Давайте разберем, что такое теплоаккумулятор для системы отопления, для чего предназначен, как работает и где применяется. А также его основные плюсы и минусы, как правильно выбрать, какие расчеты при этом понадобится выполнить и каковы нюансы подключения.

Теплоаккумулятор для системы отопления, устройство и назначение

Тепловой накопительный блок представляет собой специальный теплоизолированный резервуар, напрямую соединенный с котлом отопления. В его устройстве отмечаются следующие особенности:

1. Емкость в большинстве случаев имеет форму вертикально установленного цилиндра, корпус которого изготовлен из прочной листовой нержавеющей или черной стали.
2. Изнутри резервуар покрыт специальным протектором для защиты от горячей воды или иного теплоносителя, а также растворенных в них солей и кислот.
3. Снаружи бак имеет слой порошкового покрытия с повышенной термостойкостью.
4. С внешней стороны емкость герметично закрыта теплоизолирующим материалом слоем не менее 10 см. В качестве утеплителя применяется повторно вспененный пенополиуретан с внутренним ПВХ-покрытием.
5. Далее теплоизоляционный слой покрывается чехлом из прочного кожзама и защитной оболочкой.

Пример устройства и схема работы теплоаккумуляторного бака

При этом полезный объем резервуара может варьироваться от 100 литров до 1 м³ и более. Однако для поддержки системы обогрева частного дома редко применяются экземпляры более одного кубометра. Главное назначение теплового аккумулятора для отопления на примере твердотопливного котла сводится к следующему:

• Поддержка номинальной температуры теплоносителя в период, когда котел уже остыл.
• Протапливание агрегата в оптимальное и удобное время, а не когда система начинает естественным образом остывать.
• Существенное увеличение периода между крайними протопками котла.
• Снижение и оптимизация расхода топливного ресурса.

Важно! Избыток тепловой энергии, вырабатываемый котлом, накапливается в емкости, а затем постепенно расходуется на поддержку оптимальной температуры теплоносителя. Таким образом, нивелируется большая инерционность твердотопливного агрегата – необходимость ждать, пока натопится помещение до необходимого комфортного уровня при периодическом его остывании.

Подробная схема отопительной системы с буферным накопителем тепла

Принцип действия теплоаккумулятора

Работа теплового накопителя простейшего типа осуществляется по следующему принципу:

• Из теплообменного контура агрегата в верхний патрубок емкости поступает разогретый теплоноситель.
• По мере работы котла бак полностью заполняется разогретым до заданного значения теплоносителем.
• При этом из противолежащего верхнего патрубка теплоноситель поступает в батареи системы отопления дома и прочие потребители. Однако, пока агрегат работает, температура внутри резервуара не падает, а, напротив, возрастает. Конечно если теплонакопитель правильно подобран и соответствует мощности котла и расходу потребителей.
• При этом в нижний входной патрубок бака поступает охлажденный в системе теплоноситель, но не перемешиваясь с верхним разогретым слоем поступает на отопительный контур котла из выходного патрубка.
• Когда резервуар заполнится до предельного уровня разогретым теплоносителем, агрегат отключается.
• Далее теплоаккумулятор перекачивает теплоноситель по системе с помощью собственного циркуляционного насоса.

В результате этого, горячая фаза постепенно заменяется охлажденной. Однако качественно выполненный и грамотно рассчитанный теплонакопитель способен полноценно поддерживать заданный нагрев теплоносителя не только в течение многих часов, но и при необходимости нескольких суток.

Теплоаккумулятор для системы отопления может применяться далеко не только в схеме с твердотопливным котлом, но и с любым другим, работающем на альтернативном виде топлива- газе, электричестве и даже энергии ветра, солнца и недр.

Сфера применения теплового накопителя определяется следующим рядом его возможностей:

1. Количество подключаемых потребителей зависит от наличия независимых контуров и может варьироваться от 4 до 20.
2. Тепловой накопитель можно переоборудовать в электрокотел – посредством монтажа ТЭНов через боковые фланцы.
3. Резервуар может разделяться на отдельные взаимодействующие сектора с помощью горизонтальных перекрытий внутри.
4. В нижнюю область бака может быть вмонтирован дополнительный теплообменник – для повышения производительности.
5. Для обеспечения горячей бытовой водой в резервуар может быть встроен накопитель или дополнительный теплообменник.

Теплоаккумулятор для системы отопления с комбинированной схемой

Важно! Тепловой аккумулятор особенно актуален, когда энергетический ресурс, расходуемый на образование тепла, имеет периодический или ограниченный доступ. Примером являются солнечные и ветровые генераторы, не функционирующие в пасмурную и безветренную погоду. Он также пригодится, когда электрокотел подключается по льготному тарифу, что возможно только в некоторые ограниченные часы суток.

Достоинства и недостатки

Применение теплового аккумулятора в системе обогрева частного жилища имеет ряд преимуществ:

• Существенная экономия топливных ресурсов. Вырабатываемое тепло задействуется в максимальной степени на обогрев дома.
• Возникает возможность использования для отопления нескольких энергоресурсов. Например, за базовую выработку тепла отвечает твердотопливный котел. Периодически протапливаемый на полную мощность и заряжающий теплоаккумулятор. А для поддержки в промежуточных периодах задействуется компактный электрический или газовый котел. В результате этого, в качестве дополнительного источника могут использоваться теплонагревательные контуры, работающие на альтернативных видах энергии – солнечных батареях и ветрогенераторе.
• Надежная защита от перегрева как самого агрегата, так и всех элементов отопительной схемы. Правильно рассчитанный тепло-накопитель просто не даст температуре возрасти выше установленного значения.
• Снижение процедур по обслуживанию в заданный период – увеличение времени между этапами по загрузке топлива.
• Стабилизация работы системы обогрева в целом – отсутствие перепадов температуры при резком похолодании, что обеспечивает более комфортный микроклимат в помещении.
• Обеспечение дома горячей бытовой водой.

Однако установка тепло-накопительного модуля в систему частного отопления имеет некоторые минусы:

• Внедрение теплоаккумулятора оправдано, когда выдаваемая мощность агрегата как минимум в 1,5-2 раза превышает потребность в тепле жилым помещением.
• Работа теплового накопителя отличается большой инерционностью. С момента запуска до перехода в номинальное состояние проходит много времени. И оно тем больше, чем больше площадь обогреваемого помещения. Поэтому установка модуля актуальна только в домах с постоянным проживанием. Для периодического посещения, например, на выходных в дачном доме его применение нецелесообразно.

• Корпус аккумулятора тепла, как правило, отличается внушительными габаритами, что несколько усложняет задачу по его транспортировке и монтажу. Кроме того, из-за этого котельная должна иметь дополнительно предназначенное для его установки место рядом с котлом.
• Цены надежного фирменного тепло-накопителя и самого отопительного котла обычно сопоставимы, что существенно повышает итоговую стоимость всей системы. Однако в перспективе на долгосрочную эксплуатацию затраты окупаются значительной экономией энергоресурсов, продлением срока службы оборудования и компонентов и обеспечением комфортных условий в жилых помещениях.

Важно! При выборе теплоаккумулирующего устройства необходимо удостовериться в наличии теплоизоляционного слоя снаружи корпуса. Если же приобретенная модель не имеет такого покрытия, пользователю придется докупать и устанавливать его самостоятельно.

Теплоаккумулятор системы отопления, должен иметь надежный теплоизоляционный слой

Разновидности теплоаккумуляторов

В зависимости от особенностей устройства, определяемых им свойств и предназначения выделяются следующие 4 основные разновидности теплоаккумулятора.

Простейшие буферные емкости без перегородок внутри.

Полый внутри тепло-накопитель заполняется одним теплоносителем, циркулирующим между тепловым контуром котла и потребителями тепла. Устанавливается в следующих ситуациях:

1. Система обогрева (котел, батареи и прочие потребители) работает на одном и том же теплоносителе.
2. Предельное значение давления в оборудовании не выше аналогичного параметра для котла и накопителя.
3. Уровень нагрева теплоносителя на выходе из котельного контура не превышает максимально допустимого значения температуры потребителей.

При этом если последнее требование соблюсти не удается, установка буферной емкости все же возможна. Для этого в схему внедряются 3-ходовые краны, позволяющий снизить уровень нагрева горячего теплоносителя, входящего в потребительный контур, путем смешения его с остывшим – подаваемым из обратной магистрали.

Простейший буферный тепловой накопитель

Со встроенным теплообменником в нижней части.

Внутри бака располагается дополнительный теплообменный контур, выполненный из трубы из нержавеющей стали. В зависимости от назначения количество таких змеевиков может быть от 1 до 3. Это позволяет создавать несколько независимых контуров с различными теплоносителями и их характеристиками.

Случаи применения:

1. Когда давление и уровень нагрева теплоносителя превосходят допустимые значения аналогичных параметров приемников.
2. Когда существует возможность использования нескольких теплогенератов – дополнительных котов, а также за счет солнечного света, ветра или геотермальных источников и т. д. При этом чем ниже значение уровня нагрева теплоносителя, тем ниже должен располагаться в баке контур, по которому он циркулирует.
3. Тепловые аккумуляторы данной разновидности к тому же используются для индивидуального отопления дома. Когда в теплообменном контуре используется один вид теплоносителя, а в системе потребления другой.

Устройство теплоаккумулятора с нижним расположением змеевика

В отличие от простого буферного резервуара в накопителе этого типа осуществляется активное перемешивание теплоносителя. Последний, находясь в районе нижнего контура, нагревается и, приобретая меньшую плотность, устремляется вверх.

С проточным теплообменным контуром для горячей воды с верхним расположением.

Для обеспечения равномерного горячего водоснабжения в резервуар помещается теплообменный контур проточного типа. При этом большая его часть располагается в верхней области бака. Входя в нижний патрубок, холодная вода под напором проходит змеевик до верхнего выхода, и уже в нагретом виде поступает на бытовые нужды.

Схема оптимальна для стабильного, равномерного, но без резкого пика потребления горячей воды. По остальным параметрам тепло-накопитель работает по принципу емкости первого типа.

Теплоаккумулятор системы отопления с нижним контуром, с двумя независимыми тепловыми контурами и с верхним контуром

Со встроенным бойлером или баком для обеспечения горячего водоснабжения.

Аккумуляторный бак этой разновидности помимо функции отопления несет в себе задачу накопления тепла для горячего водоснабжения по типу бойлера косвенного нагрева. Применяется такой резервуар в случае, когда пик генерации тепловой энергии агрегата расходится с временем максимального забора горячей воды.

Как правило, современный потребитель используют горячую воду для бытовых нужд непродолжительно, но в большом объеме. Такой период, например, наступает в вечернее или утреннее время – когда жильцы принимаются утренний душ, а вечером готовят еду, производят стирку, уборку и т. д.

Важно! Практически любой современный теплонакопитель как правило имеет ряд входных-выходных патрубков, равномерно распределенных по высоте устройства. Это позволяет использовать различный уровень нагрева теплоносителя в зависимости от его высоты в резервуаре. На практике это дает возможность подключать конкретный тип потребителя по соответствующей ему температуре с оптимальным расходом тепловой энергии и предотвращением избыточной нагрузки на его терморегулирующие устройства.

Схема накопителя тепла со встроенным бойлером и тепловым контуром

Критерии выбора

При выборе аккумулятора тепла для домашней системы отопления должны учитываться следующие критерии:

• Вместимость емкости. Рассчитывается с учетом характеристик системы, мощности агрегата, расхода бытовой горячей воды.
• Размеры и вес. Они должны соответствовать прочности основания, на котором будут установлены, а также особенностям транспортировки и монтажных работ.
• Предельный уровень давления. Он должен быть не ниже аналогичного параметра в системе. Им задается толщина стенок, материал из которого они изготавливаются, а также геометрия и особенности конструкции бака.
• Материал корпуса. Изделия из углеродистого стального сплава дешевле, но и меньше служат из-за подверженности разрушения коррозией. Модели из нержавейки стоят дороже, но отличаются долговечностью.
• Дополнительные теплообменники. Количество задается наличием подключаемых контуров и сложностью схемы.
• В зависимости от возможностей производители оснащают свою продукцию помимо основных параметров различными дополнительными функциями – встройка ТЭНов, монтаж контрольного и измерительного оборудования, установка автоматики и приборов безопасности, таких как, например, воздушные клапаны, термостаты и проч.
• Качество теплоизоляционного слоя. Учитывается не только толщина покрытия, но и тип используемого материала. Чем дольше бак хранит тепло, тем он более экономически выгоден в системе частного обогрева.

Основные расчеты

Безусловно, чем более вместителен теплоаккумулятор, тем дольше он может компенсировать простой котла отопления. Однако стоимость резервуара и затраты на обслуживание растут в прямой зависимости от его объема. Поэтому важно найти компромиссный путь в решении вопроса обеспечения системы качественным теплонакопителем. Для этого применяется расчет, в котором прежде всего учитываются три основных фактора:

• Во-первых, интенсивность теплопотерь.
• Во-вторых, площадь дома.
• В-третьих, период простоя генератора тепла.

На примере жилья площадью 100 м² разберем правила расчета вместимости накопителя тепла. Применяется следующие вводные данные (в реальности их значения могут быть отличными):

1. Количество тепла для обогрева дома – 10 кВт.
2. Период бездействия агрегата – 10 часов.
3. Рабочая температура теплоносителя – 70 °C.
4. Суммарное количество тепла, которое должен отдавать бак для поддержки температуры помещения за весь период простоя = 10 ч х 10 кВт = 100 кВт – именно такое количество энергии он должен накапливать.
5. Максимальный уровень нагрева теплоносителя – 90 °C.

Далее требуется рассчитать массу (объем) воды, которая была бы способна удержать такое количество тепловой энергии, по следующей формуле:

• М = Кэ / 0,0012 Δт
• М – масса воды, кг,
• Кэ – количество запасаемой энергии, кВт,
• Δт – разница температуры между разогретым теплоносителем и остывшем в системе, °C,
• 0,0012 – теплоемкость воды, кВт/кг °C.

Подставляя в формулу вводные данные, получаем:

100/0,0012 (90-70) = 4166 кг или примерно 4 м³.

Однако на практике редко применяются такие большие емкости. Поэтому чтобы снизить расходы по их монтажу и обслуживанию, время простоя можно сократить наполовину, а уровень охлаждения теплоносителя уменьшить до приемлемых 50⁰С. Тогда для сохранения комфортного тепла в доме с хорошей теплоизоляцией будет достаточно емкости на 1000 литров.

Теплоаккумулятор системы отопления, особенности подключения

Схема подключения бака теплоаккумулятора зависит от его конструкционных особенностей, уровня сложности системы отопления, подключаемых потребителей и общей развязки. Однако в простейшем случае, когда монтируется теплообменный полый буфер, имеющий всего 2 пары входных и выходных патрубков – снизу и вверху – используется стандартная схема

Она предполагает одинаковое значения давления и циркуляции одного и того же теплоносителя в контуре агрегата и потребителях. Для регулировки температуры и производительности в схеме на обратных магистралях – перед баком и после него перед агрегатом – устанавливается по одному циркуляционному насосу.

Иногда в схему добавляется пара 3-ходовых клапанов, смешивающих холодные и горячие потоки, для регулировки уровня нагрева. В одном случае исключается перегрев потребителя, в другом – предупреждается переохлаждение теплообменного контура агрегата и вредных последствий из-за образования конденсата.

Вывод

Теплоаккумулятор – это специальная теплоизолированная емкость, напрямую соединенная с теплообменным контуром котла и обеспечивающая накопление тепла, а затем, равномерную его отдачу в систему отопления. Работает по принципу накопления, сдерживания и последующей раздачи тепловой энергии потребителям. Его главные функции:

1. Поддержание рабочего уровня нагрева теплоносителя в период простоя котла.
2. Снижение расходов энергоресурса.
3. Расширение периода между рабочими циклами агрегата.
4. Запуск, обслуживание котла в удобное для пользователя и потребления энергоресурсов время.

При этом теплоаккумулятор для котла имеет следующие главные преимущества – экономия, защита от перегрева, подключение дополнительных теплоисточников, обеспечение горячей водой; недостатки – инерционность, занимает много места, высокая стоимость. Классифицируется на 4 типа – буферные, с нижними и верхними змеевиками, со встроенным бойлером.

При выборе учитывается ряд параметров – вместимость, материал корпуса, габариты, масса, расчетное давление, функционал, количество теплообменников, качество утепления. Также перед приобретением бака важно правильно рассчитать его вместимость, зависящую от площади дома, специфики работы системы и оборудования.