Несмотря на простоту устройства, и очевидность пользы от использования теплоаккумуляторов, данный вид оборудования пока не очень распространен. В этой статье мы постараемся рассказать о том, что такое аккумулятор тепла и преимущества, которые приносит его использование в системах отопления.

 

Что такое теплоаккумулятор (буферная емкость) и его назначение.

Назначение теплоаккумулятора (ТА) будет легче описать на нескольких примерах-задачах. 

Задача первая. Система отопления построена на основе твердотопливного котла. Постоянно отслеживать температуру теплоносителя на подаче и вовремя подбрасывать дрова нет возможности, в результате чего температура подачи то превышает нужную нам, то снижается ниже нормы. Как обеспечить поддержание требуемой температуры теплоносителя?

Задача вторая. Дом отапливается электрокотлом. Электроснабжение – двухтарифное. Как снизить затраты на электроэнергию, уменьшив энергопотребление днем и увеличив ночью?

Задача третья. Имеется система отопления, в которой тепло вырабатывается теплогенераторами, работающими на различных видах топлива и энергии – напр. газе, электричестве, солнечной энергии (гелиоколлекторы), энергии земли (тепловой насос). Как обеспечить их эффективную работу без потерь выработанного тепла, когда в нем нет потребности, при этом обеспечить дом теплом в период пикового энергопотребления?

Не особо вдаваясь в теорию теплотехники, для всех задач напрашивается решение в виде установки в систему буферной емкости, которая служила бы резервуаром для теплоносителя и в которой его температура поддерживалась бы на заданном уровне. Именно такой буферной емкостью и является теплоаккумулятор. Для решения этих задач, теплоаккумулятор обычно включается "в разрыв" системы с образованием котлового и отопительного контуров. Условная схема включения теплоакумулятора в систему отопления изображена ниже на рисунке.

 TA shema

Рис. Принципиальная схема включения буферной емкости (теплоакумулятора)

С различными способами включения буферной емкости в систему отопления можно ознакомиться в статье "Схемы подключения теплоаккумулятора". 

В настоящее время тепловые аккумуляторы чаще всего используются в системых отопления с твердотопливными котлами. В этих системах использование теплоаккумулятора позволяет реже загружать топливо, обеспечить комфортное обеспечение теплом независимо от колебаний температуры теплоносителя на выходе из котла. Часто буферные емкости устанавливаются с электрокотлами для экономии средств за счет пониженного ночного тарифа и в комбинированных системах с одновременным использованием твердотопливных и электрических котлов.
Теплоаккумулятор (ТА) бывает полезным в системах и с газовыми котлами, особенно, когда минимальная тепловая мощность котла превышает тепловую нагрузку объекта. За счет более продолжительных периодов «загрузки» ТА (нагрева теплоносителя) удаётся избежать «тактования» котла.

Кроме использования в качестве буферной емкости, ТА выполняет функцию гидравлического разделителя. Особенно это свойство теплоаккумулятора востребовано в системах с генераторами тепла, работающих на различающихся видах энергии (в т.ч. альтернативной). Как правило, эти источники тепла работают на специальных теплоносителях, которые не допускают смешения с другими типами, требуют уникального температурного и гидравлического режима, часто несовместимого с режимами контура отопления (радиаторного, теплого пола). Так, например, диапазон температур теплового насоса составляет обычно ~5°C, а в контуре распределения тепла диапазон температур может быть значительно больше (10-20°С). Для разделения контуров, теплоаккумулятор может быть оборудован дополнительными встроенными теплообменниками.

Основные функции буферной емкости (теплоаккумулятора):
- накопление и поддержание запаса тепловой энергии в виде определенного объема теплоносителя заданной температуры с возможностью ее использования в нужный период времени или при прекращении генерации тепла основными его источниками;
- организация системы отопления на нескольких генераторах тепла разного типа, которые работают с различными температурными и гидравлическими режимами и с использованием разных теплоносителей, а также в различные временные периоды;
- гидравлическое разделение контуров генераторов тепла и отопительного контура, согласование температурных режимов в различных контурах и создание благоприятных условий для работы оборудования, в частности котлов отопления, с максимальной эффективностью. 

Устройство и объем теплоаккумулятора

Типовая конструкция буферной ёмкости.

В базовом исполнении, теплоаккумулятор представляет собой теплоизолированный бак с патрубками подачи и обратки для котлового контура и патрубками для отопительного контура. В самом простом варианте, буферная емкость может иметь всего по одному патрубку – для подачи и обратки.
Если система отопления имеет теплогенераторы на альтернативных источниках энергии, то используются тепловые аккумуляторы более сложной конструкции. Как правило в них имеется один или несколько змеевиков-теплообменников для организации автономных контуров. Емкости для таких систем могут быть укомплектованы насосно-смесительными узлами для различных контуров в заводском исполнении. Дополнительный теплообменник может быть установлен, если теплоаккумулятор используется также для приготовления горячей воды для бытовых нужд. 

Теплоаккумулятор (буферная емкость)

Рис. Буферная емкость базовой конструкции

Теплоаккумулятор Vitocell 140 E

Рис. ТА с дополнительным теплообменником

 

В некоторых случаях в ТА требуется обеспечить качественное разделение слоёв с различной температурой. Для этой цели внутри бака может предусмотрена специальная мембрана. В ряде случаев, в конструкции предусматривается возможность установки электронагревательного элемента.
На видео, которое приведено ниже можно ознакомиться с конструкцией многофункциональной буферной емкости компании Buderus.

Видео. Многофункциональная буферная емкость - теплоаккумулятор Buderus Logalux.

 

Расчёт ёмкости теплового аккумулятора 

Имеется несколько методик расчета объема буферной емкости. Например в одних источниках рекомендуется подбирать ТА из расчета не менее 40 литров на каждый киловатт мощности теплогенераторыа. По другим источникам минимум снижен до 20-ти литров/кВт. Поэтому имеющиеся рекомендации могут не в полной мере отвечать требованиям конкретной системы отопления. Оптимальный объем бака ТА зависит от множества факторов - мощности источника тепла, периодичности выработки тепла, температурного режима отопительного контура, требуемого периода автомномности работы и т.п. На первый взгляд, было бы логично руководствоваться принципом - чем больще ТА, тем лучше, но это правило работает далеко не всегда, так как объем теплоаккумулятора должен быть согласован с возможностью теплогенератора по его наполнению, с учетом экономических факторов (стоимости топлива, электроэнергии и т.п.). 
В расчетах, для упрощения, плотность теплоносителя будем принимать равной единице.

Расчет объема ТА по EN 303-5

В качестве примера, приведем формулу подбора теплоаккумулятора для работы совместно с твердотопливным котлом в соответствии с европейскими нормами.

Расчет объема буферной ёмкости по EN 303-5

Vта=15*Тг*Qн*(1-0,3*Qп/Qmin), где:

 

Vта - Объем теплоаккумулятора, л.;
Тг - Продолжительность горения загрузки топлива при номинальной мощности, час;
Qн - Номинальная тепловая мощность, кВт;
Qп - Потребность объекта в тепле, кВт;
Qmin - Минимальная тепловая мощность котла, кВт.
1,163 - удельная теплоемкость воды (Вт*ч/(кг*К))

Как правило, в расчетах при подборе ТА к твердотопливному котлу, номинальная и минимальная мощность равны.

Пример расчета объема теплоаккумулятора для работы с твердотопливным котлом.

Исходные данные:

Тг - 3 час;
Qн - 25 кВт;
Qп - 20 кВт;
Qmin - 25 кВт

Итого, рекомендуемый объем буферной ёмкости составит Vта=15*3*25*(1-0,3*20/25)=855 л.

Расчет ТА по мощности имеющегося котла

Данный способ расчета напоминает предыдущий и основан на том, что теплоаккумулятор должен вместить все тепло, которое вырабатывает котел за время горения топлива при полной загрузке, при одновременном расходовании его на нужды отопления.  Как уже упоминалась в статье "Схема твердотопливного котла", рекомендуется, чтобы мощность котла превышала максимальную нагрузку системы отопления на ~30%. Формула для такого расчета приобретет следующий вид:

V = (Qн-Qп) *Тг/1,163*(tmax-tн)

Где:
Qн - Номинальная тепловая мощность котла, кВт;
Qп - Потребность объекта в тепле, кВт;
Тг - Продолжительность горения загрузки топлива при номинальной мощности, час;
tmax - максимальная температура теплоносителя в буферной емкости;
tн - расчетная температура подачи в системе отопления.

Пример расчета

Исходные данные:
Тг - 3 час;
Qн - 39 кВт;
Qп - 30 кВт;
tmax - 90°;
tн - 55°С.

Итого, рекомендуемый объем буферной ёмкости составит:  V = (39-30) *3/1,163(90-55)= 663 л.

Оценочный расчет емкости теплового аккумулятора

Иногда используется, так называемый, "оценочный" метод расчета объема ТА. Он применяется тогда, когда нужно определить, на какое время хватит накопленного в буферной емкости тепла, например, для отопления дома без использования котла отопления. Принцип расчета такой же, как и при определении объема бойлера, который мы рассматривали в статье о подборе водонагревателя. В расчете мы сначала вычисляем количество тепла, которое накоплено в баке, затем расчитываем на какое время нам этого тепла хватит. Поясним на примере.

Исходные данные:
Потребность объекта в тепле, Qп - 10 кВт;
Ёмкость теплоаккумулятора, Vта - 800 л;
Температура теплоносителя в ТА, Ттн - 80°С;
Расчетная температура подачи в отопительном контуре, Тп - 50°С
Расчетная температура температура обратки, То - 40 °С

1. Сначала определим полезное количество тепла, накопленного в теплоаккумуляторе. К сожалению, мы не можем использовать всю имеющуюся тепловую энергию. Реально (при небольшом приближении) будет использоваться энергия, высвобождаемая при остывании теплоносителя с максимальной температуры (в нашем случае - 80°С) до рабочей температуры в системе отопления (у нас - 50°С). После этого будет запущен котел отопления. Количество тепла (в квт*час) считаем по следующей формуле (для упрощения расчетов плотность теплоносителя примем за единицу):

Q=1.163*(Ттн-Т)*m 

где: Q- количество тепла, Вт*час, m - масса теплоносителя. 

До снижения температуры в баке до температуры подачи(Тп), ТА работает в автономном режиме без запуска котла. Посчитаем, какое время это займёт:

Q= 1,163 * (80 - 50) * 800 = 18608 Вт*час

18608 Вт*час/10000 Вт = 1,86 часа. Таким образом, в автономном режиме теплоаккумулятор будет обеспечивать дом теплом в течение почти 2-х часов. 

Если котел отопления (например электрокотел) в этом режиме настроен на температуру, равной температуре подачи; то вместе с работой котла будет продолжаться полезно использоваться и тепловая энергия теплоаккумулятора, пока не сравняется с температурой обратки, а это еще дополнительно съэкономленных 9,3 кВт*часа.