Теплоаккумуляторы (буферная емкость)

Все тепловые аккумуляторы подбираются, прежде всего, по одному самому важному параметру – их объему. Его должно хватать для обеспечения потребностей в тепле для конкретного здания в течение определенного периода времени. Если все упростить до максимума, то можно сказать, что чем больше обогреваемые площади – тем вместительней должен быть теплобак. Но, необходимо также учитывать, что слишком крупный теплоаккумулятор будет не только дорогим, но и не обязательно эффективным. А потому объемы таких емкостей необходимо рассчитывать максимально точно, ориентируясь на мощность котла, среднюю тепловую нагрузку на систему обогрева здания и примерную длительности работы резервуара без помощи теплогенератора. Выполнить такой расчет можно самостоятельно, но лучше доверять его профессионалам – во избежание ошибок.

Но если нет возможности обратиться к специалистам, вместимость теплоаккумулятора вполне реально вычислить и по специальным формулам, которые можно найти в Интернете. Или, в крайнем случае, совсем упрощенно принять, что на каждый 1 кВт тепловой мощности котла должны приходиться 25 л объема буферной емкости. Кроме того, важно знать, что нормальная работа любого подобного накопительного резервуара возможна, только если используемый в паре с ним нагреватель будет иметь двукратный запас производительности. Иначе ему не удастся обеспечить бак достаточным количеством тепла. При этом, в бытовой сфере тепловые аккумуляторы могут работать в сочетании с разными видами нагревательного оборудования, но чаще всего они применяются вместе с твердотопливными и электрическими котлами, а также солнечными коллекторами. В пользу это свидетельствуют следующие аргументы:

1. Теплоаккумулятор для твердотопливного котла.
   Все, даже самые современные котлы на твердом топливе, работают исключительно циклично в силу особенностей использования подобных энергоносителей. Дело в том, что после загрузки в их топки, например, дров, а также их разгорания, в течение некоторого времени происходит постепенный разогрев теплоносителя. Ну а наивысшие температуры всегда наблюдаются на пике горения топливных закладок. Затем, по мере прогорания, теплоотдача уменьшается до момента полного прекращения выработки тепла – если дрова сгорают полностью, или до момента поступления их следующей партии, которой опять же нужно время, чтобы разгореться. Это значит, что настроить любой подобный агрегат на генерацию тепловой энергии с привязкой к нужному в каждый конкретный момент уровню потребления просто невозможно. Такими функциями обладают только газовые и электрические котлы.
   
   Соответственно, в моменты розжига и остывания продуцируемой твердотопливным котлом тепловой энергии может не хватить для оптимального подогрева жидкости для системы отопления или горячего водоснабжения. А во время пикового горения наоборот – выделяется чрезмерное количество энергии, часть которой будет просто теряться, что нельзя назвать рациональным использованием ресурсов. Несложно догадаться, что решением этой проблемы оказывается покупка теплоаккумулятора, накапливающего энергию в периоды горения топлива с максимальной теплоотдачей. А когда ее количества будет недостаточно, буферная емкость для твердотопливного котла начнет передавать тепло в соответствующую инженерную систему. При этом нужно знать, что для длительного обогрева дома после отключения нагревателя нужно приобретать накопительный бак большого размера.
2. Теплоаккумулятор для электрического котла.
   Хотя электрическое отопление на данный момент является довольно затратным, его используют во многих домохозяйствах по причине максимального удобства. Ведь любой электрокотел не нуждается в заготовлении энергоносителей, не требует обустройства помещения котельной и монтажа дымохода, легко и быстро устанавливается, является максимально безопасным в применении, а также имеет очень высокий КПД при очень компактных габаритах. В общем, такие теплогенераторы хороши всем, кроме одного – больших счетов за электроэнергию. Но и в этом их владельцам способны помочь тепловые аккумуляторы. Все просто – если предварительно установить в доме двухтарифный счетчик электричества, а также запускать котел в суточные периоды ее льготной тарификации, в основном – в ночное время, то можно постоянно хорошо экономить.
   
   Разумеется, для этого необходимо приобрести вместительную буферную емкость, в которой будет накапливаться нагретый ночью теплоноситель, уже днем поступающий в сети отопления и горячего водоснабжения. Единственная проблема, которая может при этом возникнуть, связана с крупными размерами подобного резервуара. Дело в том, что энергосберегающий бак рекомендуется всегда устанавливать рядом с теплогенератором для достижения максимальной эффективности его работы. Это не сложно, когда он служит вместе с твердотопливным котлом, обязательно размещаемым в собственной котельной. Но, все несколько сложнее, когда речь заходит об электрокотлах, часто монтируемых прямо на стенах кухонь и других обычных помещений. Поэтому важно сразу знать, что для размещения теплоаккумулятора места там не найдется – для него нужно отводить отдельное помещение.
3. Теплоаккумулятор для гелиосистемы.
   Солнечные коллекторы уже давно известны, как передовой вид теплоэнергетического оборудования, позволяющий использовать бесплатную энергию солнечных лучей для получения тепла, далее применяемого для обычных бытовых нужд. Однако, без тепловых аккумуляторов подобные системы не могут функционировать полноценно. Это связано с неравномерным поступлением солнечной энергии в разное время суток, в разные сезоны года и при разных погодных условиях. Соответственно, если теплоноситель для системы отопления или горячего водоснабжения нагревается только благодаря солнечным лучам, стабильным его поступление точно не будет. Для максимально возможного устранения этой проблемы как раз и применяют теплоаккумуляторы, позволяющие рационально использовать все ясные и солнечные дни с целью накопления бесплатной энергии.
   
   Для работы вместе с гелиосистемой теплосберегающий резервуар использует высокую теплоемкость воды, в процессе остывания 1 л которой на 1 °С выделяется энергия, достаточная для подогрева 1 м3 воздуха на 4 °С. Принцип действия рассматриваемых емкостей в этом случае также довольно прост. В периоды максимальной солнечной активности, когда коллектор может собирать большое количество тепла, и когда выработка превышает расход, теплоаккумулятор накапливает его излишки, чтобы позднее передать их в систему обогрева. А именно тогда, когда количество солнечной энергии уменьшается или она вообще перестает поступать, например – в ночное время. Разумеется, не менее рациональным является использование теплового аккумулятора и в тех случаях, когда гелиосистема в доме дополняется котлом, греющем воду в дни, когда светило не показывается из-за туч вообще.

Что касается других критериев выбора теплоаккумуляторов для систем отопления и горячего водоснабжения, то они не слишком существенны, поскольку все данные емкости выполняют одну функцию. Ну а наличие внутри них встроенных змеевиков или бойлера просто помогает выполнять ее более эффективно. Так, теплоаккумулятор со змеевиком позволяет догревать имеющуюся внутри жидкость или подогревать в проточном режиме воду для системы горячего водоснабжения. Это удобно, если для этой цели не предусмотрены другие нагреватели, но неэффективно, если расход горячей воды относительно большой. А если таких змеевиков два, то ко второму из них можно присоединить гелиосистему, которая позволит догревать жидкость в резервуаре, используя энергию Солнца. Ту же функцию выполняют и дополнительные электрические ТЭНы, которыми можно оснащать даже пустотелые емкости.

Подбор теплоаккумуляторов с бойлерами тоже несложен. Самое главное при этом – правильно рассчитать потребность домохозяйства в горячей воде. По этому показателю и выбирается необходимая производительность встроенного бойлера. Немного сложнее обстоит дело с подбором хладоаккумулятора, поэтому без участия специалистов тут не обойтись. Прежде всего, нужно выяснить, как повлияет на общий объем системы охлаждения и ее работу дополнительный большой объем жидкости из бака. Далее нужно определить, стоит ли разделять гидравлические контуры потребителя и самой холодильной машины. Иногда более выгодно спроектировать раздельные системы и разместить аккумулятор холода с двумя отдельными патрубками. В общем, прояснение данных нюансов требует проведения сложных расчетов, справиться с которыми могут только опытные специалисты.

Еще один критерий, который не стоит игнорировать при выборе теплового аккумулятора – его рабочее давление. Данная характеристика резервуара не должна быть меньше, чем рабочее давление применяемого котла. Напоследок стоит отметить, что выбирать теплоаккумулятор исключительно по расходу теплоносителя нельзя, поскольку невозможно точно рассчитать скорость исчерпания накопленного в нем ресурса. Обогрев здания при помощи такой емкости и при отсутствии функционирования другого нагревательного оборудования может осуществляться на протяжении нескольких часов или даже нескольких суток. Немаловажно и то, что таким образом сокращается время задействования теплогенератора, а значит – увеличивается его рабочий ресурс. При этом, время работы системы обогрева на ресурсе, собранной в буферном резервуаре, напрямую зависит от следующих факторов:

• Фактического объема накопительной емкости;
• Количества теплопотерь в обогреваемом здании;
• Температуры воздуха на улице в текущее время года;
• Предварительно установленных значений термодатчиков;
• Полезной площади здания, которую нужно обогреть или обеспечить горячей водой.

Каждый вид буферных емкостей имеет свои наборы плюсов и минусов, но поскольку их функции почти идентичны, то и общие достоинства тепло- и холодоаккумуляторов – это:

• Оптимизация расхода энергоресурсов;
• Сохранение энергии рабочей жидкости;
• Контроль за температурой теплоносителя;
• Защита сети обогрева от перегревания котла;
• Быстрая окупаемость, приблизительно, за 2-5 лет;
• Создание постоянного запаса теплоносителя или льда;
• Передача тепла в сеть обогрева тогда, когда оно требуется;
• Допустимость подключения к различным источникам энергии;
• Снижение нагрузки на систему обогрева или холодоснабжения;
• Исключение потерь энергии, а также ее излишнего производства;
• Совместимость с солнечными коллекторам разных модификаций;
• Обеспечение высокой теплоотдачи при экономном расходе топлива;
• Производство горячей воды резервуарами с бойлерами и змеевиками;
• Продление срока службы теплотехнического или холодильного оборудования;
• Уменьшение расхода энергоносителей – в случае с твердотопливными котлами;
• Теплобак с бойлером может служить даже в качестве заменителя гидрострелки;
• Беспроблемное использование с открытыми и закрытыми системами отопления;
• Широкий функционал баков с дополнительными змеевиками-теплообменниками;
• Возможность оснащения некоторых моделей резервуаров электрическими ТЭНами;
• Защита от растрескивания чугунных батарей из-за сильных перепадов температуры;
• Препятствование перегреву воды, когда котел работает на максимальной мощности;
• Снижение расходов на отопление и горячую воду без уменьшения уровня комфорта.

В свою очередь, немногочисленные недостатки теплоаккумуляторов таковы:

• Допустимость размещения любого подобного бака только в отдельном помещении;
• Некоторые резервуары нуждаются в отдельном приобретении изоляционных чехлов;
• Функционально продвинутые модели стоят дороже простых модификаций теплобаков.

По своему строению абсолютно все тепловые аккумуляторы, также называемые буферными емкостями, напоминают вертикальные цилиндры на небольших опорах с корпусами из листов высококачественной черной или нержавеющей стали. На их внутренние поверхности обязательно наносится специальный бакелитовый лак, выполняющий функцию защиты данных материалов от опасного влияния горячей воды, а также растворов солей и кислот со слабыми концентрациями. А на внешние поверхности корпусов теплобаков наносят невосприимчивые к относительно высоким температурам порошковые краски. В свою очередь, внутри разных моделей теплоаккумуляторов может быть как пустое пространство, так и змеевики для догрева теплоносителя, или бойлеры для приготовления горячей воды. А объемы энергосберегающих баков могут насчитывать от сотен до нескольких тысяч литров.

При этом, для того чтобы свести потери энергии жидкости в процессе ее хранения к минимуму, тепловые аккумуляторы покрывают съемными наружными изоляционными чехлами толщиной порядка 10 см. Эти чехлы чаще всего состоят из вторично-вспененного пенополиуретана, а также наружных оболочек из прочного кожзаменителя. Благодаря такому составу, они получаются не только легкими, но и износостойкими, водонепроницаемыми и устойчивыми к загрязнениям. При необходимости их легко снимать и одевать на теплоемкости, например, для их обслуживания. Но, несмотря на всю пользу чехлов для теплоаккумуляторов, они не всегда продаются с ними вместе. Соответственно, если внешней изоляции в комплекте с резервуаром не оказывается, ее крайне желательно приобрести отдельно, просто подобрав по одному из стандартных размеров имеющегося бака.

Поскольку все теплоаккумуляторы используются для одной главной цели – сохранения тепла, принцип их действия, в основном, одинаков и довольно прост. Любой подобный резервуар монтируется в отдельном помещении, и присоединяется к коммуникациям системы отопления или горячего водоснабжения, или к ним обоим. Среди таких коммуникаций всегда есть подводная труба от теплогенератора, по которой в верхнюю часть буферной емкости поступает нагретая жидкость. Находясь в резервуаре, горячая вода, немного остывая, опускается в его нижнюю часть, а затем подается в циркуляционный насос, который направляет ее в основную магистраль. По ней теплоноситель возвращается в котел для нового нагрева. Таким образом, теплобак не дает жидкости перегреться, когда нагреватель работает на полной мощности, а также обеспечивает постоянно высокую теплоотдачу.

Нужно отметить, что основная польза от теплоаккумуляторов появляется по причине постоянных включений и выключений котлов при работе, так как в их непрерывном функционировании просто нет необходимости. Периодичность данных процессов зависит от температуры их греющих элементов или исходящего из них теплоносителя. Соответственно, в то время, когда котел не работает, проходящая через него жидкость, уже не с максимальной, а более низкой температурой, попадает в буферную емкость, а из нее в сеть поступает вода с высокой температурой. Получается, что и при выключенном теплогенераторе, например, до следующей его загрузки новой порцией топлива, система обогрева работает в обычном режиме. Что позволяет снизить общую нагрузку на нее, а значит – продлить срок службы оборудования.

А классификация теплоаккумуляторов разделяет их на 4 вида по конструкциям:

• Теплоаккумуляторы для отопления – делятся на 2 типа. Теплоаккумуляторы без внутренних теплообменников, также называемые пустотелыми, являются самыми простыми и дешевыми из-за максимальной конструктивной простоты. Их можно присоединять к одному или нескольким источникам тепла и доукомплектовывать фланцевыми нагревательными элементами для догрева теплоносителя. В свою очередь, теплоаккумуляторы с внутренними теплообменниками, также называемые теплоаккумуляторами со змеевиками, имеют одно или два подобных устройства, сильно расширяющие их функционал. При этом, один змеевик всегда служит для догрева теплоносителя, а если змеевиков два, то нижний используется для догрева емкости, а верхний – или для догрева, или для приготовления горячей воды;
• Теплоаккумуляторы с бойлером – также делятся на 2 типа. Теплоаккумуляторы с бойлерами для ГВС могут включать наличие одного встроенного бойлера, или бойлера, дополненного одним или двумя змеевиками для догрева жидкости. К последним можно подключить, например, теплонасос и гелиосистему. В свою очередь, теплоаккумуляторы со змеевиками для ГВС производятся в одной модификации с трубчатыми теплообменниками, проходящими через их корпуса от верха до низа. При этом, в некоторых моделях змеевиковых тепловых аккумуляторов есть и дополнительные теплообменники аналогичного змеевикового типа. Они тоже нужны для догрева теплоносителя систем отопления, и подключаются к другим источникам энергии, в том числе, и альтернативным – типа теплонасосов или гелиосистем;
• Холодоаккумуляторы – еще один вид буферных емкостей, отличающихся от более традиционных аналогов накоплением льда. Их основная задача заключается в уменьшении нагрузки на холодильные устройства, если системы охлаждения на протяжении суток работают неравномерно. Корпуса аккумуляторов холода изготавливают из высокопрочной стали с защитным цинковым покрытием. Принцип их работы прост и во многом схож с теплоаккумуляторами. В периоды времени, когда расход холода является минимальным, они накапливают его посредством расположенных внутри их корпусов панелей, на которых намерзает лед. Затем, в периоды пиковых нагрузок, этот запас расходуется, снижая частоту запусков компрессоров холодильных машин и увеличивая их эксплуатационный ресурс.

Также нельзя не отметить, что к полезным комплектующим для теплоаккумуляторов относятся не только внешние изоляционные чехлы из пенополиуретана, каучука, поролона или даже флиса, способствующие наиболее эффективному энергосбережению, а также электрические ТЭНы, используемые для догрева теплоносителя. К таким изделиям причисляются еще и заменяемые блочные и фланцевые теплообменники. А некоторые производители даже выпускают для своих буферных емкостей солнечные станции и станции горячевого водоснабжения – высокотехнологичные устройства, оптимизирующие взаимную работу такого оборудования с посторонними источниками тепла. Ну а для подключения тепловых аккумуляторов к коммуникациям сетей подачи тепла и горячей воды используются стандартные арматурные элементы, входящие в состав всех бытовых инженерных систем.