Системы отопления с теплонакопителями

Автор: | 16.01.2020

Существует способ приблизить удобство пользования твёрдотопливным котлом к комфорту, который предоставляет отопление на природном газе. Тепловой аккумулятор не только сокращает частоту растопок, но также обеспечивает существенную экономию при электрическом отоплении с многотарифной системой оплаты.

Что представляет собой накопитель тепла

Задача сохранять тепловую энергию — одна из самых актуальных проблем мировой энергетики. В первую очередь её решение требуется для оптимизации работы систем преобразования солнечной энергии, однако такого же рода вопрос стоит и в обычных домохозяйствах. Одних владельцев загородных домов не привлекает идея становиться кочегаром, тех же, кто использует для отопления электричество, в первую очередь беспокоит снижение затрат.

Все эти задачи могут быть решены путём установки теплового аккумулятора, который накапливает энергию в режиме активной работы отопительного прибора, а затем передаёт её системе в течение длительного времени. Чтобы избежать путаницы, нужно сразу отметить, что тепловые накопители бывают двух типов:

  1. Магнезитовые теплоаккумуляторы, устанавливаемые в электрических нагревательных приборах.
  2. Буферные ёмкости с водой — природным веществом с наивысшей теплоёмкостью.

Первый тип теплонакопителей известен около полувека и служит заменой электрическим конвекторам там, где актуальна многотарифная оплата за электроэнергию. Запасённое тепло магнезитовая оболочка способна отдавать от 8 до 12 часов, нагревая жильё в течение дня без потребления электричества. Главный недостаток таких тепловых аккумуляторов — необходимость точного расчёта тепловой ёмкости индивидуально для каждого помещения с учётом инерционности строительных конструкций, теплопотерь и объёма воздуха. Ошибки в расчётах приводят к нарушению климатического режима и, как следствие, абсолютной нецелесообразности использования теплонакопителей такого типа.

Буферная ёмкость — это бак с водой, интегрированный в гидравлическую систему отопления. Нагрев буферного теплоносителя может осуществляться непосредственно — такие ёмкости называют одноконтурными, либо через теплообменник, то есть теплоносители в различных контурах изолированы друг от друга. Многофункциональность водяного накопителя позволяет использовать его как для равномерной отдачи тепла в переходных режимах, так и для запаса энергии в период действия ночного тарифа. Именно этот тип тепловых аккумуляторов наиболее интересен для российского потребителя, на нём и остановимся подробно.

Что даёт установка теплового аккумулятора

Тепловой аккумулятор нельзя отнести в разряд бюджетных апгрейдов системы отопления. Средняя стоимость начинается от 120–140 тыс. руб. и может достигать полумиллиона, причём указанный диапазон цен актуален для систем, обеспечивающих теплом жильё площадью до 150 м2. Возникает закономерный вопрос: чем обосновывается покупка столь дорогостоящего оборудования?

Чтобы понять целесообразность установки теплонакопителя, нужно хорошо понимать специфику его работы. Прежде всего, стоит помнить, что он не даёт ощутимых преимуществ в тандеме с котлом, работающим на природном газе, мазуте, то есть с автоматической подачей топлива. Имеет смысл устанавливать теплоаккумулятор либо с электрическими, либо с твёрдотопливными агрегатами с ручной загрузкой, а также совместно с солнечными коллекторами. В таком порядке можно выделить ряд преимуществ:

  1. Повышение комфорта эксплуатации твёрдотопливного котла — число растопок можно сократить до одной в сутки, причём это справедливо как для межсезонья, так и в самую холодную пятидневку.
  2. Повышение экономии: работая в режиме максимальной мощности, твёрдотопливный котёл не теряет тепло вместе с продуктами сгорания. В змеевике всё время циркулирует вода с низкой температурой, эффективно поглощая выработанную энергию.
  3. Повышение срока эксплуатации котла за счёт защиты от перегрева. В режиме активного пламенного горения теплообменник всё время остаётся сухим — благодаря отсутствию конденсата существенно замедляется загрязнение дымовых каналов дёгтем и исключается воздействие на металл змеевика кислот, образующихся при контакте дыма с влагой.
  4. В случае питания системы от гелиоколлектора тепловой аккумулятор незаменим, ведь именно благодаря ему имеется возможность нагревать обитаемый объём не только днём, но и ночью.
  5. Конструкционные особенности теплоаккумулятора позволяют максимально просто реализовать систему ГВС, в том числе и с рециркуляцией.

Критерии выбора буферной ёмкости

Как уже говорилось, разлёт цен на теплонакопители идентичной ёмкости весьма высок. Чтобы сделать правильный выбор, нужно знать, чем определяются качество и долговечность оборудования. Первоочередное значение имеет материал корпуса ёмкости:

  • Углеродистая сталь может использоваться в системах, в которых не осуществляется регулярная подпитка водой, а значит, металлические элементы не подвергаются постоянному воздействию растворённого кислорода.
  • Нержавеющая сталь обладает антикоррозионными свойствами, такая ёмкость совершенно не способна вызывать образование в системе шлама и считается наиболее совершенным типом теплового накопителя, но при этом стоит дороже остальных.
  • Металлический корпус с полимерным покрытием — в таком варианте устойчивость основного материала ёмкости к коррозии не имеет решающего значения, ведь защитная оболочка гарантирует чистоту жидкости. Однако нужно быть внимательным: некоторые полимерные соединения могут вступать в реакцию со специальными теплоносителями, к тому же толщина металлической оболочки должна быть достаточно высокой, чтобы выдерживать механические нагрузки.

Конструкции теплоаккумуляторов: 1 — подключение контуров напрямую; 2 — с одним теплообменником; 3 — с двумя теплообменниками

Всерьёз рассматривать буферные ёмкости, целиком изготовленные из пластика, не стоит. Такие накопители не способны выдерживать нагрузку от расширяющейся при нагревании жидкости, к тому же при высоких температурах многие полимерные материалы теряют свои свойства.

Важен не только сам материал, но и конструкционные особенности корпуса. Так, оптимальным вариантом считается цилиндрическая форма с цельным штампованным сферическим днищем. Импортное оборудование, ко всему прочему, характеризуется более высоким качеством сварки, испытывается повышенным гидравлическим давлением перед поставкой продукции на рынок. Играет роль и сложность исполнения оборудования: простейшие накопители включаются в систему напрямую, если же в отоплении используется специальный теплоноситель, передача тепла осуществляется по схеме: котловой контур — накопитель — отопительный контур через теплообменники. В таком случае защита от замерзания воды в накопителе реализуется путём установки электрического нагревателя, который в режиме простоя поддерживает положительную температуру воды. Расход электроэнергии при этом ничтожно мал благодаря сплошной теплоизоляции буферной ёмкости.

Ещё один нюанс — тип и качество теплоизоляции, что также напрямую влияет на стоимость. Бюджетные модели облачаются в кожух из минеральной ваты и пенополистирола — не самых идеальных материалов с точки зрения долговечности и пожаробезопасности. Более совершенные модели имеют теплоизоляцию из пенополиуретана, а самые дорогостоящие — из полиизоцианурата. Эти материалы лучше прочих сохраняют тепло, в условиях эксплуатации накопителя служат десятками, если не сотнями лет, при этом не представляют угрозу развития пожара.

На стоимость теплоаккумулятора могут также влиять следующие опциональные дополнения:

  • Жёсткая обечайка для повышения эстетики и защиты теплоизоляции от механических повреждений.
  • Наличие электрического ТЭНа или патрубка для его установки.
  • Дополнительные отводы от змеевика ГВС или дополнительных теплообменников.
  • Встроенные термометры, манометры, капсюли для установки электронных датчиков.

Расчёт теплового аккумулятора

По сути, единственный параметр теплоаккумулятора, который нужно определить для правильной интеграции в систему отопления, это его вместимость. Расчёт проводится по простой схеме: определяется время, за которое система остывает до некомфортного значения при отсутствии подачи энергии. На это значение нужно поделить желаемое время автономной работы, затем применить полученный коэффициент к собственной вместимости системы отопления.

К примеру, если при объёме системы в 100 литров остывание происходит за час, при этом требуется подача тепла в течение 12 часов с одной растопки, общее количество теплоносителя должно составлять 1,2 тонны, соответственно, требуемая вместимость буферной ёмкости — 1100 литров. При этом следует учесть увеличивающиеся тепловые потери системы, которые даже у самых бюджетных вариантов накопителей не превышают 10%.

Ориентировочная формула подбора объёма теплоаккумулятора:

m = (P · η · t) / (c · ΔT)

где: m — объём
P – мощность котла, Вт
η – КПД котла, 0,98%
t – время нагрева, ч
c – удельная теплоёмкость воды, Вч/кг·К
ΔT – дельта температур, К

При работе от электрического отопительного агрегата расчёт вместимости буферной ёмкости осуществляется по мощности котла и допустимой мощности электрического подключения объекта. Зная количество энергии, необходимое для нагрева воды с заданной разницей температур, нужно подобрать такой объём, чтобы буферная ёмкость полностью прогревалась в течение действия низкого тарифа. К примеру, чтобы нагреть один литр воды с дельтой 80 °С, требуется 93 Вт/ч электроэнергии при КПД системы равном единице, длительность же нагрева составит порядка трёх минут. Чтобы не путаться в хитросплетениях формул, можно воспользоваться удобным онлайн-калькулятором.

Другой аспект расчёта системы связан с мощностью котла. Она должна быть примерно вдвое выше, чем необходимо для системы без теплового аккумулятора. Во-первых, это позволит увеличить закладку топлива и производить растопку в режиме повышенной мощности, а значит, подкидывать дрова при нагреве системы придётся реже. Во-вторых, с ростом мощности котла увеличивается площадь поверхности теплообменника, соответственно, величина непоглощённого им тепла будет ниже.

Особенности монтажа и эксплуатации

Схема обвязки накопителя не зависит от наличия и числа промежуточных теплообменников. При подключении теплоаккумулятора принято выделять котловой и радиаторный контуры. На каждом из них обязательна установка трёхходовых клапанов:

  • Смесительный клапан на котловом контуре необходим, чтобы котёл не работал в конденсационном режиме во время нагрева всего объёма воды в тепловом аккумуляторе. Подмес горячей воды из подачи в обратку котла позволяет поддерживать температуру теплообменника на таком уровне, при котором копоть не будет увлажняться.
  • Распределительный клапан на радиаторном контуре позволяет регулировать температуру воды, подающейся к отопительным приборам. Во-первых, это позволяет продлить срок автономной работы, к тому же появляется возможность соблюдать ограничения по температуре для систем с пластиковыми трубами или тёплыми полами без дополнительных технических средств.

Обвязка твёрдотопливного котла с теплоаккумуляторомСхема подключения твёрдотопливного котла с теплоаккумулятором: 1 — тёрдотопливный котёл; 2 — термостат; 3 — группа безопасности; 4 — сепаратор воздуха; 5 — циркуляционный насос; 6 — обратный клапан; 7 — буферная ёмкость (теплоаккумулятор); 8 — трёхходовой клапан; 9 — автоматика; 10 — контур отопления; 11 — накладной датчик температуры; 12 — расширительный бак; 13 — датчик сухого хода; 14 — клапан подпитки

При установке теплового аккумулятора формируется два контура принудительной циркуляции с отдельными насосами. При этом подача горячей воды к нагревательным приборам происходит в кратчайшее время после запуска котла, поскольку забор теплоносителя ведётся из верхней части ёмкости, где сорбируется жидкость с наивысшей температурой. Важно не допускать установки насосов после ответвления на подпитку клапанов, чтобы в случае их полного закрытия циркуляция системы не прекратилась. При этом разницы в том, устанавливается насос на подающей или обратной ветке, нет никакой.

При эксплуатации твёрдотопливного котла с буферной ёмкостью нельзя допускать работу в конденсационном режиме. В системах без теплового аккумулятора принято ограничивать подачу кислорода, так можно продлить время горения закладки. При наличии буферной ёмкости в режиме прогрева котёл всё время работает в режиме пламенного горения, что возможно благодаря значительному объёму теплоносителя, который способен поглотить колоссальное количество тепловой энергии. Чтобы избежать образования конденсата, смесительный трёхходовой клапан должен быть настроен на температуру не ниже 60 °С. Возможно из-за снижения дельты температур передача тепла будет не столь активной, однако только так можно исключить переувлажнение теплообменника, что облегчит чистку от копоти и продлит срок службы отопительного агрегата.

Видео по теме

[embedded content]

[embedded content]

[embedded content]

© рмнт.ру, Игорь Максимов

16.01.20

rmnt.ru