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:

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

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.

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. При этом чем меньше температурный напор источника тепла, тем ниже должен в ТА размещаться его теплообменник. Если в контурах источника тепла и потребления используется различный тип теплоносителя. В отличие от первый схемы, такому ТА свойственно активное перемешивание теплоносителя в емкости – нагрев происходит в нижней ее части, и менее плотная горячая вода стремится вверх. На схеме по центру ГА показан магниевый анод. За счет более низкого электропотенциала он «оттягивает» на себя ионы тяжелых солей, не допуская зарастания накипью внутренних стенок бака. Подлежит периодической замене.

3 – Теплоаккумулятор дополнен проточным контуром горячего водоснабжения. Вход холодной воды осуществляется снизу, подача до точки горячего водоразбора, соответственно, снизу. Большая часть теплообменника расположена в верхней части ТА. Такая схема считается оптимальной для условий, когда потребление горячей воды отличается достаточной стабильностью и равномерностью, без выраженных пиковых нагрузок. Естественно, теплообменник должен быть исполнен из металла, отвечающего нормам пищевого водопотребления. В остальном же схема схода с первой, с прямым подключением контуров генерации тепла и его потребления. .

4 – Внутри теплоаккумулятора размещен бак для создания запаса горячей воды для бытового потребления. По сути, такая схема напоминает встроенный бойлер косвенного нагрева. Применение подобной конструкции в полной мере оправдано в случаях, когда пик выработки тепловой энергии котлом не совпадает с пиком потребления горячей воды. Иными словами, когда сложившийся в доме бытовой уклад предполагает массовое, но довольно непродолжительное расходование горячей воды. Все перечисленные схемы могут варьироваться в различных комбинациях – выбор конкретной модели зависит от сложности создаваемой системы отопления, количества и типа источников тела и контуров потребления. Обратите внимание, в большинстве теплоаккумуляторов предусмотрено множество выходных патрубков, разнесенных по вертикали

Дело в том, что при любой схеме внутри буферной емкости так или иначе образуется температурный градиент (разница в температурном напоре по высоте). Появляется возможность подключения контуров системы отопления, требующих различных температурных режимов. Это существенно облегчает окончательное термостатическое регулирование теплообменных приборов (радиаторов или «теплых полов»), с минимальными ненужными потерями энергии и снижением нагрузки на регулирующие устройства. Типовые схемы подключения теплоаккумуляторов Теперь можно рассмотреть основные схемы установки теплоаккумуляторов в систему отопления.

-Температурный режим и давление одинаковы в котле и в контурах отопления. Требования к теплоносителю совпадают. На выходе из котла и в ТА поддерживается постоянная температура. На приборах теплообмена регулировка ограничивается только количественным изменением проходящего через них теплоносителя.

-Такая схема, с циркуляцией теплоносителя в малом контуре котла через встроенный теплообменник, применяется, когда давление в этом контуре превышает допустимое в приборах отопления или в самой буферной емкости. Второй вариант – в котле и в контурах отопления применены разные теплоносители.

-Исходные условия аналогичны схеме №3, но применен внешний теплообменник. Возможные причины такого подхода: - площади теплообмена встроенного «змеевика» недостаточно для поддержания требуемой температуры в телоаккумуляторе. – ранее уже был приобретён ТА без внутреннего теплобменника, а модернизация системы отопления потребовала именно такого подхода.

-Схема с организацией проточного обеспечения горячей водой через встроенный спиралевидный теплообменник. Рассчитана на равномерное потребление горячей воды, без пиковых нагрузок.

-Такая схема, с использованием теплоаккумулятора со встроенным баком, рассчитана на пиковое потребление горячей воды, но не отличающееся высокой положительностью. После расходования созданного запаса и, соответственно, заполнения ёмкости холодной водой, нагрев до требуемой температуры может занять достаточно много времени.

-Бивалентная схема, позволяющая задействовать в системе отопления дополнительный источник тепловой энергии. В данном случае упрощенно показан вариант с подключением солнечного коллектора. Этот контур подключается к теплообменнику в нижней части теплоаккумулятора. Обычно подобная система рассчитывается таким образом, что основным источником является именно солнечный коллектор, а котел включается по мере необходимости, для догрева, при недостаточности энергии от основного. Солнечный коллектор, конечно, не догма – на его месте может быть и второй котел.

-Схема, которую можно назвать мультивалентной. В данном случае показано применение трех источников тепловой энергии. В роли высокотемпературного выступает котел, который, опять же, может играть лишь вспомогательную роль в общей схеме нагрева. Солнечный коллектор – по аналогии с предыдущей схемой. Кроме того, используется еще один низкотемпературный источник, который, вместе с тем отличается стабильностью и независимостью от погоды и времени суток – геотермальный тепловой насос. Чем меньше температурный напор из подключенного источника энергии, тем ниже место его подключения к теплоаккумулятору. Безусловно, схемы даны в очень упрощенном виде. А на деле подключение теплоаккумулятора в сложные, разветвленные системы, с различными контурами отопления, да еще и получающие нагрев от источников различной мощности и температуры, требуют высокопрофессионального проектирования с инженерными теплотехническими расчетами, с применением множества дополнительных регулировочных устройств. Один из примеров – показан на рисунке:

1 – твёрдотопливный котёл. 2 – электрический котел, включающийся лишь по мере необходимости и только в период действия льготного тарифа. 3 – специальный блок подмешивания в контуре высокотемпературного котла. 4 – гелио-станция, солнечный коллектор, который в погожие дни может выполнять роль основного источника тепловой энергии. 5 – теплоаккумулятор, к которому сходятся все контуры генерации тепла и его потребления. 6 – высокотемпературный контур отопления с радиаторами, с регулировкой режимов по количественному принципу – только и использованием запорной арматуры. 7 – низкотемпературный контур отопления – «теплый пол», в котором обязательно предусматривается качественное регулирование температуры нагрева теплоносителя. 8 – проточный контур горячего водоснабжения, снабженный собственным смесительным узлом для качественного регулирования температуры бытовой горячей воды.

Что необходимо учитывать при выборе теплоаккумулятора Безусловно, подбор теплоаккумулятора рекомендуется проводить еще на стадии проектирования системы отопления дома, руководствуясь расчетными данными специалистов. Тем не менее, обстоятельства бывают разными, и знать основные критерии оценки такого прибора – все же нужно. На первом месте всегда будет стоять вместительность этой буферной емкости. Эта величина рассчитывается в соответствии с параметрами создаваемой системы, мощностью котла, необходимого количества энергии для нужд отопления, горячего водоснабжения. Одним словом, ёмкость должна быть таковой, чтобы обеспечить накопление всего избыточного на данный момент тепла, не допуская его потерь. О некоторых правилах расчета емкости будет рассказано ниже. От емкости, естественно, напрямую зависят габариты изделия и его масса. Эти параметры также являются определяющими – далеко не всегда и не везде получается разместить в выделенном помещении теплоаккумулятор необходимого объема, так что вопрос должен продумываться заранее. Случается, что баки большого объёма (свыше 500 литров) не проходят в стандартные дверные проемы (800 мм). При оценке массы ТА она должна учитываться вместе во всем объемом воды полностью заполненного прибора. Следующий параметр – максимально допустимое давление в создаваемой или уже функционирующей системе отопления. Аналогичный показатель ТА должен быть, во всяком случае, не ниже. Это будет зависеть от толщины стенок, типа материала изготовления, и даже формы емкости. Так, в буферных емкостях, рассчитанных на давление свыше 4 атмосфер (бар) обычно верхняя и нижняя крышки имеют сферическую (тороидальную) конфигурацию.

Материал изготовления емкости. Баки из углеродистой стали, с антикоррозийным покрытием стоят дешевле. Емкости из нержавейки, безусловно, дороже, но и гарантийный срок их эксплуатации тоже значительно выше. Наличие дополнительных встроенных теплообменников для контуров отопления или горячего водоснабжения. Об их предназначении уже упоминалось выше – выбираются модели в зависимости от общей сложности системы отопления. Наличие дополнительных опций – возможности встраивания ТЭНов, установки контрольно-измерительных приборов, устройств обеспечения безопасности – предохранительных клапанов, воздухоотводчиков и т.п. Обязательно оценивается толщина и качество внешней термоизоляции корпуса ТА, чтобы не пришлось заниматься этим вопросом самостоятельно. Чем лучше изолирован бак, тем естественно, дольше будет в нем храниться «тепловой заряд». Особенности монтажа тепловых аккумуляторов Установка теплового аккумулятора подразумевает соблюдение определенных правил: Все подключаемые контуры должны подсоединяться резьбовыми муфтами или фланцами. Сварных соединений не допускается. Подключаемые трубы не должны оказывать на патрубки ТА никакой статической нагрузки. Рекомендуется на всех подключаемых к ТА трубах установить запорную арматуру. На всех используемых входах и выходах устанавливаются приборы визуального контроля температуры (термометры). В нижней точке ТА или на трубе в непосредственной близости от него должен стоять дренажный вентиль. На всех трубах входа в теплоаккумулятор устанавливаются фильтры механической очистки воды – «грязевики». Во многих моделях сверху предусмотрен патрубок для подсоединения автоматического воздухоотводчика. Если такового нет, то воздухоотводчик обязательно устанавливается на самом верхнем выходном патрубке. В непосредственной близости от теплоаккумулятора предусматривается установка манометра и предохранительного клапана. Вносить какие бы то ни было самостоятельные изменения в конструкцию теплоаккумулятора, не оговоренные производителем – категорически запрещается. Установка ТА должна проводиться только в отапливаемом помещении, исключающем вероятность замерзания жидкости. Заполненный водой резервуар может иметь весьма значительную массу. Площадка род него должна быть способна выдержать столь высокую нагрузку. Нередко для этих целей приходится подливать специальный фундамент. Как бы ни устанавливался теплоаккумулятор, при этом должен обеспечиваться свободный поход к ревизионному люку. Проведение простейших расчетов параметров теплоаккумулятора Как уже упоминалось выше, всесторонний расчет системы отопления с несколькими контурами выработки и потребления тепловой энергии – это задача, посильная только специалистам, так как приходится учитывать очень много разносторонних факторов. Но определённые вычисления можно провести и собственными силами. Например, в доме установлен твердотопливный котел. Известна его мощность, вырабатываемая при полной топливной загрузке. Экспериментальным путем определено время сгорания полной закладки дров. Планируется приобретение теплоаккумулятора, и необходимо определить, какой объем потребуется, чтобы гарантированно полезно использовать все выработанное котлом тепло. За основу возьмем известную формулу: W = m × с × Δt W — количество тепла необходимое, чтобы нагреть массу жидкости (m) с известной теплоемкостью (с) на определенное количество градусов (Δt). Отсюда несложно вычислить массу: m = W / (с × Δt) Не помешает принять в расчет КПД котла (k), так как потери энергии так или иначе неизбежны. W = k × m × с × Δt, или m = W / (k × с × Δt) Теперь разбираемся с каждым из значений: m – искомая масса воды, из которой, зная плотность, несложно будет определить и объем. Не будет большой ошибкой посчитать из расчета 1000 кг = 1 м³. W – избыточное количество тепла, вырабатываемое в период топки котла. Его можно определить, как разницу значений энергии, выработанной за время сгорания топливной закладки и затраченной в тот же период на отопление дома. Максимальная мощность котла обычно известна – это паспортная величина, рассчитанная на оптимальные воды твёрдого топлива. Она показывает количество тепловой энергии вырабатываемой котлом в единицу времени, например, 20 кВт. Любой хозяин всегда довольно точно знает, в течение какого времени у него прогорает топливная закладка. Допустим, это будет 2,5 часа. Далее, необходимо знать, какое количество энергии в это время может быть израсходовано на отопление дома. Одним словом, необходимо значение потребности конкретного здания в тепловой энергии для обеспечения комфортных условий проживания. Такой расчет, если значение необходимой мощности неизвестно, можно произвести самостоятельно – для этого есть удобный алгоритм, приведенный в специальной публикации нашего портала. Например, для отопления дома требуется 8,5 кВт энергии в час. Значит, за 2,5 часа сгорания топливной закладки будет получено: 20 × 2,5 = 50 кВт За этот же период будет потрачено: 8,5 × 2,5 = 21,5 кВт Избыточное тепло, которое необходимо сохранить в теплоаккумуляторе: W = 50 – 21,5 = 28,5 кВт k – КПД котельной установки. Обычно указывается в паспорте изделия в процентах (например, 80%) или десятичной дробью (0,8). с – теплоемкость воды. Это – табличная величина, которая равна 4,19 кДж/кг×°С или 1,164 Вт×ч/кг×°С или 1,16 кВт/м³×°С. Δt – разница температур, на которую необходимо подогреть воду. Ее можно определить для своей системы опытным путем, промерив значения на трубе подачи и обратки при работе системы на максимальной мощности. Допустим, что это значение равно Δt = 85 – 60 = 35 °С Итак, все значения известны, и осталось лишь подставить их в формулу: m = 28500 / (0,8 × 1,164 × 35) = 874,45 кг. Таким образом, чтобы полностью сохранить все выработанное котлом тепло при его работе на полной мощности потребуется 875 кг воды, то есть емкость примерно в 0,875 м³. Такой же подход можно применить и в случае, если рассчитывается объем теплоаккумулятора, подключённого к электрическому котлу. Единственная разница – для расчета принимается не время топки, а временной интервал льготного тарифа, например, с 23.00 до 6.00 = 7 часов. Чтобы «унифицировать» эту величину, ее можно назвать, например, «период активности котла». Чтобы упростить читателю задачу, ниже размещен специальный калькулятор, который позволит быстро рассчитать рекомендуемый объем теплового аккумулятора для имеющегося (планируемого к установке) котла. Калькулятор расчета необходимого объема теплоаккумулятора Полученное значение округляется в большую сторону и становится ориентиром при подборе оптимальной модели теплоаккумулятора. Они в специальных магазинах представлены в различном объемном исполнении. Достоинства и недостатки включения в систему отопления теплоаккумулятора Итак, подводя итоги публикации, вкратце сформулируем «плюсы» и «минусы» применения теплоаккумуляторов. К достоинствам можно смело отнести следующее: Достигается экономия энергоресурсов, особенно в приложении к твёрдому топливу – выработанное тепло используется в максимальной мере. Возрастает КПД котла и всей системы отопления в целом. Котлы и другие элементы системы отопления получают надежную защиту от перегрева. Сводится до возможного минимума необходимость вмешательства в работу системы, сокращается количество загрузок твёрдого топлива. Вся система работает более плавно и легко поддается контролю и точным регулировкам. Обеспечивается стабильный установленный нагрев во всех помещениях дома. Появляется возможность подключения альтернативных источников энергии. При грамотном подходе это дает нешуточную экономию денежных средств. Например, в дневное время основная нагрузка ложится на гелио-станцию, ночью, пока действует льготный тариф, «эстафету» перехватывает тепловой насос, а возможную недостачу компенсирует компактный газовый котел. Установкой теплового аккумулятора одновременно можно решить и проблему горячего водоснабжения своего жилья. Недостатков немного, но о них тоже следует упомянуть: Установка будет иметь какой-то смысл, если мощность котла или иных источников тепла существенно, как минимум вдвое, превышает расчетные значения потребной тепловой энергии для отопления жилья. Система с теплоаккумулятором всегда обладает очень высокой инерционностью, то есть от момента пуска д выхода в расчетный режим работы может пройти немало времени. Нет смысла применять ее в с системах отопления, где требуется быстрый нагрев помещений, например, в загородных домах, которые посещаются хозяевами зимой лишь время от времени. Оборудование, как правило, очень громоздкое, что создает немало проблем при его транспортировке, разгрузке, заносе в помещения и монтаже. Так как обязательным условием является установка ТА в непосредственной близости к котлу, для котельной потребуется весьма немалая площадь. Тепловые аккумуляторы относятся к категории дорогостоящих покупок – их цена вполне сопоставима, а нередко даже превосходит стоимость котлов. Правда, высока вероятность того, что затраты быстро окупятся экономией на энергоресурсах. Правда, последний из перечисленных недостатков подвигает народных умельцев к разработке и монтажу собственных моделей теплоаккумуляторов.