Буферная емкость (теплоаккумулятор) для системы отопления

Предыстория

Так получилось, что некоторое время назад я приобрёл частный дом на некотором «удалении от цивилизации». Удалённость от цивилизации определяется главным образом тем, что газ там отсутствует в принципе. А разрешённая мощность электрического подключения не предоставляет технической возможности отапливать дом электричеством. Единственным реальным источником тепла в зимнее время является использование твёрдого топлива. Другими словами, дом был оборудован печкой, которую прежний хозяин топил дровами и углём.

Если кто-то имеет опыт использования печки, то ему не нужно объяснять, что это занятие требует постоянного контроля. Даже в не слишком холодную погоду невозможно заложить в печку дрова один раз и «забыть» про неё. Если положить слишком много дров, то в доме станет жарко. А после прогорания топлива, дом всё-равно быстро остынет. Волей-неволей, для поддержания комфортной температуры нужно постоянно подкладывать дрова понемногу. А в сильные морозы печь нельзя оставить без присмотра даже на 3-4 часа. Если не хочешь проснуться утром в холодном помещении, будь добр хотя бы один раз за ночь к печке подойти…

Разумеется у меня желания работать кочегаром не было. И поэтому я сразу же стал думать о более удобном способе отопления. Конечно, при невозможности использования газа или электричества, таким способом могла стать только современная система отопления на твёрдом топливе, состоящая из твердотопливного котла, теплоаккумулятора и простейшей автоматики для включения и выключения рециркуляционного насоса.

Чем современный котёл лучше обычной печки? Он занимает намного меньше места, в него можно заложить больше топлива, он обеспечивает лучшее сгорание этого топлива при максимальной загрузке, и теоретически с его помощью можно большую часть тепла оставить в доме, а не выпустить в трубу. Но в отличие от печки, твердотопливный котёл практически не возможно использовать без теплоаккумулятора. Я так подробно об этом пишу, потому что знаю множество людей, которые пытались отапливать дом такими котлами, подключая их напрямую к трубам отопления. Ничего хорошего у них не получилось.

Что же такое теплоаккумулятор или, как его ещё называют, буферная емкость? В простейшем случае это просто большая бочка с водой, стенки которой имеют хорошую теплоизоляцию. Котёл за два-три часа своей работы нагревает воду в этой бочке. А потом эта горячая вода циркулирует по системе отопления до тех пор, пока не остынет. По мере остывания, котёл нужно разжигать снова. Простейший теплоаккумулятор легко сделает любой сварщик. Но я, после непродолжительных раздумий, от этой идеи отказался и купил готовый. Поскольку живу я в Украине, то обратился в компанию «Теплобак» и ни разу не пожалел: здесь аккумулирующие баки делают профессионально и очень качественно.

В зависимости от объёма теплоаккумулятора, мощности котла и того, сколько тепла нужно дому, котёл приходится топить не постоянно, а один-два раза в сутки, или даже раз в двое-трое суток.

Обвязка теплоаккумулятора: упрощенная схема

Буферную емкость ставят между водогрейной печью/котлом и системой отопления. В самом простом варианте подключают трубы напрямую, без каких-либо излишеств (см. рисунок ниже). Вот только лучше поставить отсечные краны  на каждом из отводов — перед и после емкости. Это даст возможность отключать емкость, проводить ремонтные работы с баком и не сливать при этом теплоноситель из системы. Еще очень желательны фильтры.

В чем недостаток такой схемы подключения теплоаккумулятора для системы отопления? При поступлении в теплообменник котла теплоносителя с низкой температурой, образуется конденсат. Он состоит из очень едких жидкостей, которые разрушают металл. Испаряясь, этот конденсат оставляет толстый слой налета на теплообменнике, что очень сильно снижает эффективность (теплообменник хуже нагревается). Ситуация с холодной обраткой появляется во время старта системы, пока не нагрет теплоноситель. Так как в данной схеме греться должен весь объем, конденсат выпадает продолжительное время, что приводит к быстрому снижению эффективности отопления, разрушению теплообменника.

Самая простая схема подключения теплового аккумулятора к системе отопления

Второй недостаток этой схемы: вода в емкости может быть очень горячей — до 90°C и больше. Если подавать ее в радиаторы напрямую, в помещениях может быть слишком жарко, к тому же о нагретые до такой температуры радиаторы можно серьезно обжечься. На теплый водяной пол, такой горячий теплоноситель вообще давать нельзя — все расплавиться.

И, самое важное, в данной схеме нет циркуляционного насоса. То есть, движется теплоноситель по естественным причинам: благодаря уклону труб (не забудьте, кстати, о правильном уклоне) и разнице температур между подачей и обраткой

Но такое движение медленное и малоэффективное, особенно при понижении температуры в баке. Такая схема малоэффективна. Для того чтобы теплоноситель двигался быстрее, ставят циркуляционный насос.

Принцип работы

Для сглаживания колебаний напряжения в сети или защиты от его кратковременного пропадания используется принцип двойного преобразования, состоящий в следующем:

1. Корректируемое переменное напряжение подается на сетевой фильтр, сглаживающий резкие колебания за счет ограничения ВЧ гармоник.
2. Оно поступает на диодный мостик, преобразующий переменную составляющую в постоянную.
3. При необходимости часть выпрямленного тока расходуется на схему зарядки дежурного аккумулятора, используемого в ситуации, когда напряжение пропадает на длительное время.
4. Основная его часть поступает на инвертор, в котором осуществляется обратное преобразование постоянной составляющей в переменную.
5. Полученное таким образом стабилизированное напряжение пригодно для питания твердотопливного или газового котла.

Преимущества теплового аккумулятора

У традиционной русской печи перед современным твердотопливным котлом есть два существенных преимущества:

• если ее конструкция выполнена правильно, сгорание топлива в печи всегда идет в оптимальном температурном режиме, благодаря чему топливо отдает максимум тепловой энергии с образованием минимального количества продуктов горения;
• массивное кирпичное тело печи нагревается, а затем на протяжении длительного времени отдает тепло в помещение, то есть, выполняет функцию аккумулятора тепла, позволяя сократить количество топок в сутки.

Чтобы твердотопливный котел функционировал в оптимальном режиме, полноценно сжигая топливо, он должен работать на своей номинальной мощности. Но при покупке котельного агрегата для отопления дома мощность выбирают в расчете на самые морозные дни в регионе, но таких набирается не более двух недель за зиму. Таким образом, практически весь отопительный сезон котел работает в режиме ограниченной подачи кислорода, из-за чего снижается его КПД, топливо тратится неэффективно, так как при горении отдает меньше тепла.

Схема обвязки ТА

Чтобы избежать данной проблемы, к котельному агрегату подсоединяют теплонакопитель – резервуар с водой, аккумулирующий тепло во время работы котла, и подающий нагретую воду в систему отопления, когда котел выключен на ночь и температура теплоносителя снизилась.

Функционирование устройства

Производители выпускают тепловой аккумулятор для котла в виде емкости для воды цилиндрической формы, в которую погружены змеевики для циркуляции теплоносителя разных контуров отопления и котельного агрегата.

Вода в емкости поглощает избыток тепловой энергии в процессе работы котла, нагревающего теплоноситель и готовящего воду для системы ГВС. Твердотопливный котел (если речь идет не о котлах длительного горения или автоматическом пеллетном агрегата) требует достаточно частой закладки дров или угля, поэтому его останавливают на ночь.

Это приводит к постепенному остыванию теплоносителя, циркулирующего в системе. Автоматическая подача нагретой воды из теплоаккумулятора в радиаторы или систему теплого пола позволяет дольше поддерживать в отапливаемых помещениях дома комфортную температуру.

Особенности конструкции теплового аккумулятора

Модели, предлагаемые производителями, различаются по конструкции и функциональности.

К примеру, в целях удобства и экономии нагревать воду в емкости можно несколькими способами:

• подключив к котлу для отопления;
• установив в теплоаккумуляторе ТЭН;
• подсоединив емкость к солнечному коллектору.

Однако стоимость накопителей тепла в заводском исполнении достаточно высока, поэтому многие домовладельцы предпочитают теплоаккумулятор для твердотопливного котла изготовить своими руками.

В случае самостоятельного изготовления устройство обычно не оснащают змеевиками, выбирая самый простой вариант – емкость, с установленными патрубками в верхней и нижней части. К первой паре патрубков подсоединяются трубы подачи и обратки от котла, к паре патрубков, установленной на противоположной стороне емкости – трубы подачи и обратки отопительной системы.

Конструкция и назначение ёмкостного бака

Но если есть желание, время, подходящие инструменты и финансовые возможности, можно сделать теплоаккумулятор для отопления своими руками, скопировав модель фабричного производства или разработав собственную конструкцию. Для изготовления змеевиков используется медная труба, также необходимо позаботиться о герметизации мест, где концы змеевика выводятся наружу. Такой подход в первую очередь востребован при наличии солнечного коллектора.

Емкость требует качественной теплоизоляции, благодаря которой температура воды дольше остается высокой.

Нюансы использования теплоаккумуляторов и советы по эксплуатации

• Если в планах надолго уехать из дома, то нужно выставить термостат трехходового клапана на минимальную температуру. При таком «экономном» режиме работы отопительный контур может работать несколько дней;
• Блок погодозависимой автоматики, встроенный в систему с ТА, будет регулировать температуру теплоносителя в радиаторах по мере изменения погодных условий;
• Если сделать в верхней части буферного бака релейный термостат с погружной гильзой и выставить на нем, например, температуру 35 °C, а на термостате клапана 60 °C, то когда термостат покажет 25 °C (60-35=25°С), насос циркуляции автоматически выключится;
• Если расчет показал большой объем ТА, который не вписывается в габариты помещения, то его можно заменить двумя емкостями поменьше, соединив их трубами в верхней и нижней части;
• Чтобы предотвратить электрохимическую коррозию ТА, нужно подключить к нему заземление;
• Если схема включает в себя электрический котел, то для нагревания водяного объема накопительной емкости лучше воспользоваться тарифом ночного времени, если такой предусмотрен в условиях обслуживания.

Что такое теплоаккумулятор

Но при эксплуатации агрегата на твердом топливе придется столкнуться с проблемой неоднородности получения тепловой энергии. Пока котел работает — дома тепло или даже жарко. Закончилось топливо – в доме становится холодно. Половина полученного тепла уходит в атмосферу, да и подкладывать дрова приходится часто. Поэтому задумались о том, чтобы сохранять избыточное тепло, а потом потихоньку отдавать его в систему отопления.

Эту проблему и решают, когда начинают эксплуатировать твердотопливный котел с теплоаккумулятором.

В странах Европы запрещено применение агрегатов тепловой энергии без буферной емкости, чтобы не было выбросов угарного газа в атмосферу.

Теплоаккумулятор — это емкость, чаще всего круглая цилиндрическая, наполненная водой, в зависимости от предназначения бывает разных модификаций.

В производственный вариант входят:

• основной корпус, который изготавливается из различных сплавов стали или из нержавейки;
• слой изоляции из базальтовой или минеральной ваты или пенополиуретана толщиной не менее 50 мм;
• наружная обшивка изготавливается или из окрашенного тонкого листового металла, или из чехла из полимерного материала;
• в основную емкость врезают патрубки для подвода и отвода теплоносителя;
• в более дорогих моделях внутри устанавливают змеевик для подогрева воды;
• термометр и манометр служат для контроля за температурой и давлением.

Иногда в тепловой аккумулятор встраивают блок электрических тенов с датчиками и подсоединяют солнечные батареи — это создает дополнительный комфорт при его использовании.

Цены на эти варианты высокие, поэтому народные умельцы чаще всего изготавливают буферные емкости своими руками.

Для чего нужен

Спектр применения аккумулятора тепловой энергии очень широк и определяется согласно модификации и применяемого вместе с ним оборудования.

Самое главное его предназначение:

• накопить как можно больше тепла, а потом, когда закончится топливо в основном теплогенераторе, отдать его в систему отопления;
• предотвращать резкие перепады температуры в системе, тем самым не допускать появления конденсата в котле.

Более современные и дорогие позволяют создать больший комфорт и больше возможностей:

• горячее водоснабжение в доме;
• использовать его вместо электрокотла, если установить в него электрические нагреватели.

Принцип работы

Перед первым использованием рекомендуется изучить схему работы котла и емкости.

Система работает так:

1. Затопили котел.
2. Нагретая вода попадает в теплогенератор, как бы заряжает его.
3. Циркуляционный насос, установленный за емкостью, по трубопроводу, вмонтированному в верхнюю ее часть, доставляет теплоноситель к трубам отопления.
4. Возвращаясь, остывшая вода поступает в нижнюю часть теплогенератора.
5. Затем она поступает в котел.
6. Закончилось топливо — потух котел.
7. В работу вступает теплогенератор: при помощи циркуляционного насоса из верхней горячей зоны постепенно разносит сохраненное тепло по трубам и радиаторам.

Второй насос снабжают комнатным датчиком температуры, который при необходимости может отключить его, если температура превысит установленную для него температуру. Тогда котел будет нагревать только теплоаккумулятор. При понижении температуры воздуха в комнатах, включается насос, и вода снова будет нагревать батареи.

Применение аккумулятора тепловой энергии позволяет хозяину домовладения удовлетворить все его запросы.

Недостатки

У связки теплового нагревателя с тепловым накопителем недостатки, конечно, есть, но со временем покупатель поймет, что вложенные средства были потрачены не зря.

Подключение ТА к потребителям

С другой стороны теплоаккумулирующую емкость надо подключить к системе отопления. Если подключаем только радиаторы, все просто — с одного из верхних выходов идет труба в трубопровод подачи, в нижний подключаем обратку. Но, в этом случае, возможен перегрев радиаторов. Когда вода в баке нагрета до температуры выше 60°C, это может быть опасным, а температура может быть 90°C и даже выше. При касании к таким горячим радиаторам, высока вероятность получения нешуточного ожога. К тому же в помещении явно будет жарко.

Подключение радиаторов

Чтобы избежать подачи слишком горячего теплоносителя, ставят еще один трехходовой смесительный клапан. Схема работает также как описано выше. Выставляем на регуляторе требуемую температуру, например, 50°C. Как только теплоноситель в подаче будет горячее, клапан откроет подмес воды из обратки.

Одна из выгод установки теплоаккумулятора — возможность приготовления ГВС в той же емкости (средняя картинка на рисунке ниже). Для этого в бак встраивают теплообменник или емкость. Его выход подключают к гребенке горячего водоснабжения.

Схемы обвязки буферной емкости со стороны системы отопления

Так как и в этом случае тоже возможен перегрев, тут также необходим узел подмеса. Вот только добавлять надо холодную водопроводную воду. Реализуется этот узел при помощи еще одного трехходового смесительного клапана. Выход от холодного водопровода подключаем к смесительному трехходовому клапану ГВС. Чтобы при отсутствии разбора горячей воды она не попадала в гребенку холодной воды, на линии подачи от ХВС ставим обратный клапан.

Эта схема обвязки теплоаккумулятора имеет существенный недостаток: когда горячая вода не используется, вода в трубах остывает. Чтобы «добыть» теплую, приходится сливать остывшую просто в канализацию. Это неудобно, так как приходится ждать, и неэкономно. Для решения проблемы, от последней точки разбора тянут обратную линию, в которой устанавливают свой циркуляционный насос. Этот контур называется рециркуляционным. Пока кран нигде не открыли, вода бегает по кругу. Таким образом, из всех кранов постоянно идет теплая вода

Обратите внимание на установку обратных клапанов — они обязательны для работоспособности схемы

Обвязка теплоаккумулятора для индивидуального отопления со всеми функциональными элементами и арматурой

Для окончательной проработки схемы надо еще оговорить место установки арматуры. Это автоматические воздухоотводчики, которые ставят в самых высоких точках системы. Еще нужны запорные краны. Их устанавливают возле каждого крупного функционального узла так, чтобы при необходимости, можно было перекрыть краны и снять оборудование для ремонта или профилактики.

Как запитать теплый водяной пол

К теплоаккумулятору можно очень неплохо подключить и теплый пол. Обвязка в этом случае ничем не отличается от случая с радиаторами. Нужен тот же узел подмеса со смесительным трехходовым клапаном, но настроен он должен быть на более низкую температуру — не выше +40°C. В этом случае можно подключить теплый пол без смесительного узла — температура должна контролироваться при выходе из котла. Но можно и перестраховаться — поставить второй смесительный узел на распределительном коллекторе теплого пола.

Обвязка теплоаккумулятора с теплым водяным полом (в зеленом контуре)

Есть и второй вариант обвязки теплоаккумулятора с теплым полом — подавать той же температуры теплоноситель, что идет на радиаторы. Понижать ее будет смесительный узел. Хлопот и затрат меньше (нужны только тройники для отвода от основной магистрали), но и надежность такого решения ниже. Хотя, справляется же это оборудование с теплоносителем, который подает обычный котел.

Способы и схемы подключения своими руками

Теплоаккумулятор с пустым баком устанавливают, если давление в системе небольшое

Сложность и особенности подключения зависят от типа теплового накопителя. Поэтому следует разобраться, какими они бывают.

• Самая простая конструкция – пустой внутри бак. Котел и потребители подключаются напрямую. Использование оптимально, если применяется одинаковый теплоноситель во всех контурах, давление в системе не превышает допустимые показатели накопителя и температура теплоносителя, подающегося из котла, не превышает допустимых значений для контура отопления. Если первые два требования не соблюдаются, при подключении в систему необходимо воспользоваться дополнительными внешними теплообменниками. В последнем случае следует установить смесительные узлы с трехходовыми кранами.
• Буферная емкость с внутренним теплообменником – одним или несколькими. Теплообменник представляет собой спиральную трубу из меди или нержавейки. В таком накопителе теплоноситель перемешивается. Змеевик, расположенный в нижней части, нагревает теплоноситель, горячая вода устремляется вверх как менее плотная. Наверху расположен другой змеевик, который забирает энергию и выводит ее на контуры отопления. Прибор такого типа оптимален при использовании разных типов теплоносителей, при высоком давлении и температуре теплоносителя, подключении нескольких генераторов тепла.
• Резервуар с проточным контуром горячего водоснабжения. Теплообменник по большей части расположен вверху бака. Он должен быть выполнен из металла, отвечающего нормативам пищевого водопотребления. Контуры подключаются напрямую. Такая система предпочтительна при равномерном расходе горячей воды.
• Теплоаккумулятор с внутренним бойлером. В накопительной емкости сохраняется нагретая вода для бытового потребления. Такой тип аккумулятора, накапливающего тепло, можно без проблем встроить в открытую и закрытую системы отопления, оснащенные твердотопливными, электрическими котлами и солнечными коллекторами. Особенно актуальны буферные емкости этого типа при использовании электрокотлов, когда теплоноситель нагревается ночью, а вода расходуется днем. Бойлера на 150 л вполне достаточно для суточного потребления воды среднестатистической семьей.

В системе с трехходовыми клапанами возможна более точная регулировка температуры

Другие типы систем:

1. Простейшая схема обвязки, ограничивающая возможности регулировки. Горячая вода поднимается вверх и забирается из верхней точки, после остывания опускается и снова поступает в котел. Используется в том случае, если давление и температура в генераторе тепла и контурах отопления одинаковы. Температура регулируется только методом увеличения/уменьшения потока теплоносителя.
2. В системе присутствуют узлы смешивания, байпасы, поэтому возможна более точная регулировка по температуре теплоносителя. Эффективность оборудования достигается благодаря установке, например трехходовых клапанов.
3. В систему включен дополнительный бак, благодаря чему небольшой объем горячей воды доступен непосредственно после запуска котла. Потребителю не приходится ждать, когда система разогреется полностью, но запас воды не велик, а нагревается система медленнее, чем классическая.
4. Внутри буферной емкости имеется один змеевик, через него проходит тепловая энергия от источника, а уже от змеевика нагревается теплоноситель в тепловом накопителе. В системе этого типа применяют разные теплоносители. Можно выбирать такие, которые нельзя смешивать из-за несовместимости химических характеристик. Через змеевик можно запитать отопление или ГВС, либо по этому кругу будет циркулировать теплоноситель от источника.
5. В системе установлен дополнительный внешний теплообменник. Он позволяет поддерживать нужную температуру в аккумуляторе.
6. Система с проточным контуром горячего водоснабжения. Она оптимальна, если горячая вода используется равномерно. В противном случае рекомендуется приобрести энергоаккумулятор со встроенным бойлером.
7. Система с одним змеевиком и подключением к альтернативному источнику энергии, например, солнечному коллектору. Называется бивалентной. Подключение осуществляется таким образом, что коллектор играет ведущую роль в нагреве системы, а котел подключается, когда тепловой энергии недостаточно.
8. Мультивалентная система, где основной нагрев осуществляют низкотемпературные источники, например солнечный коллектор и геотермальный тепловой насос. Они подключаются в нижней части теплового аккумулятора. В качестве вспомогательного источника тепловой энергии применяется высокотемпературный котел.

Использование теплоаккумулятора в разных системах обогрева

Схема ГВС

Теплоаккумуляторы эффективно показывают себя при использовании в самых разнообразных системах обогрева. При этом в каждом случае подобный накопитель позволяет существенно сэкономить на отоплении.

Чаще всего тепловыми аккумуляторами комплектуются системы твердотопливного обогрева. Установка будет способствовать более экономичному расходу топлива и эффективному обогреву, а также предотвратит преждевременный износ отопительных радиаторов.

Не лишним будет тепловой аккумулятор и в системе электрического отопления, в особенности в регионах с двойным тарифом за электричество. Ночью, когда электроэнергия продается потребителю по более доступной стоимости, аккумулятор будет накапливать тепло. Днем же можно будет на некоторое время выключить котел и топить силами теплоаккумулятора.

Используются накопители и в многоконтурных отопительных системах. Благодаря ним обеспечивается распределение теплоносителя между контурами. Монтаж патрубков может быть выполнен на разной высоте, что позволит получать воду, нагретую до разной температуры.