Теплоаккумулятор. Зачем он нужен?

Большинство тех, кто решил использовать в своем доме автономное отопление, строят систему на основе навязанных рекламой схем, предусматривающих приобретение металлических твердотопливных котлов различных моделей. Однако, в силу своих конструктивных особенностей, эти котлы не могут обеспечить достаточного удобства их обслуживания.

Любой твердотопливный котел требуется топить круглые сутки, чтобы обеспечить постоянство температуры в доме. Как только котел погас — теплоноситель в системе быстро остывает и температура в доме падает.

Кроме того, если в качестве топлива используются дрова, котел не может обеспечить полного сгорания топлива, в результате чего снижается и без того низкий КПД котла, образуется большое количество сажи в дымоходах. Попытки создания котлов так называемого «длительного горения», приводят к тому же результату, поскольку топливо сжигается с недостатком кислорода.

Но повышенный расход топлива — это не последняя проблема. Как было упомянуто, котел должен работать постоянно, его эксплуатация связана с постоянным беспокойством. Само собой напрашивается решение встроить в систему аккумулятор тепла. Именно он может позволить топить котел не постоянно, а лишь небольшие промежутки времени, чтобы нагреть теплоноситель в теплоаккумуляторе.

В дальнейшем, даже при погасшем котле, теплоноситель может расходоваться в радиаторы отопления по мере необходимости. Управление этим расходом может быть как автоматическим, так и ручным.

Но применение теплоаккумулятора — вопрос тоже не простой. Ни один котел, назначение которого постоянно работать и греть систему отопления, не в состоянии за короткое время нагреть большое количество теплоносителя в теплоаккумуляторе. Значит, необходим более мощный котел.

Такой котел, который за 1 час работы мог бы дать столько тепловой энергии, сколько необходимо на сутки. И такому котлу в связке с теплоаккумулятором уже не требуется и автоматика, которая в маломощных котлах поддерживает режим горения в течение суток.

Отсюда вывод: теплоаккумулятор эффективен только тогда, когда он работает в паре с достаточно мощным котлом. Подключать аккумулятор тепла к маломощному котлу нет никакого смысла, поскольку все равно нужно топить котел все сутки.

Итак, что такое теплоаккумулятор:

• это удобство обслуживания системы отопления.
  Котел с ним может протапливаться время от времени лишь для того, чтобы нагреть теплоноситель в емкости. При достаточной мощности котла он может протапливаться не более одного раза в сутки в течение 1 часа.
• это постоянство температуры в доме.
  Накопленное тепло может расходоваться в течение суток по мере необходимости.
• это экономичность системы отопления.
  Котел в паре с теплоаккумулятором может протапливаться в режиме наибольшей мощности. Только в этом режиме топливо сгорает полностью, обеспечивая наибольший выход тепловой энергии.

Любой котел, хоть кирпичный, хоть железный, хоть фаянсовый — это ящик с огнем и водой, и самое лучшее, когда процесс топки котла подконтролен и длится недолго. (C) Сергей Донцов

Теплоаккумулятор для котла

При проектировании системы отопления основные цели – это комфорт и безотказность. В доме должно быть тепло и уютно, а для этого в радиаторы всегда должен поступать горячий теплоноситель без задержек и скачков температуры.

С твердотопливным котлом это сложно реализовать, ведь не всегда удается вовремя заправить новую порцию дров или угля, а процесс горения сам по себе неравномерен. Исправить ситуацию поможет теплоаккумулятор для котлов отопления.

С простой конструкцией и принципом действия он способен избавить от целого ряда неудобств и недостатков классической схемы отопления.

Зачем нужен

Теплоаккумулятор представляет собой хорошо утепленный резервуар большой емкости, наполненный теплоносителем, водой. За счет высокой теплоемкости воды при нагреве всего объема в емкости аккумулируется значительный запас тепловой мощности, которую можно использовать по назначению в то время, когда котел не справляется или вовсе бездействует.

Теплоаккумулятор фактически повышает объем теплоносителя в контуре отопления, теплоемкость и соответственно инертность всей системы. Для нагрева всего объема потребуется больше энергии и времени при ограниченной мощности отопления, но и остывать аккумулятор будет очень долго. По необходимости горячая вода из аккумулятора может подаваться в контур отопления и поддерживать комфортную температуру в доме.

Чтобы оценить преимущества теплоаккумулятора, проще всего рассмотреть для начала несколько ситуаций:

• Твердотопливный котел лишь периодически подогревает воду. В момент розжига мощность минимальна, во время активного горения мощность возрастает до максимума, после прогорания закладки она вновь спадает и так цикл повторяется. В итоге температура воды в контуре постоянно колеблется в достаточно большом диапазоне;
• Для получения горячей воды требуется установка дополнительного теплообменника или внешнего бойлера с косвенным нагревом, что существенно сказывается на работе контура отопления;
• К системе отопления, построенной вокруг твердотопливного котла, подключить дополнительные источники тепла предельно сложно. Потребуется сложная развязка, желательно с автоматическим управлением;
• Твердотопливный котел, даже длительного горения, постоянно требует внимания пользователя. Стоит пропустить время закладки новой порции топлива, как теплоноситель в контуре отопления уже начинает остывать, как и весь дом;
• Часто максимальная мощность котла бывает избыточной, особенно весной и летом, когда не требуется максимальная отдача.

Решением для всех вышеперечисленных ситуаций становится теплоаккумулятор, притом бескомпромиссным и самым доступным в плане реализации и стоимости. Он выступает в роли узла развязки между твердотопливным котлом и контуром (-ами) отопления и отличной базовой площадкой для включения дополнительных функций.

По конструкции теплоаккумулятор может быть:

• «пустым» – простая утепленная емкость с прямым подключением;
• со змеевиком или регистром труб в качестве теплообменника;
• со встроенным бойлерным баком.

С полным «обвесом» теплоаккумулятор способен:

• Накапливать и сохранять значительный объем тепловой энергии, в первую очередь избыточную, с последующей отдачей его в контур отопления. Даже если пропустить одну или две заправки дров, и котел остановится, температура в доме опустится всего на пару градусов. Для электрокотлов есть возможность установить расписание, по которому трата электроэнергии будет происходить только ночью по сниженному тарифу, тогда как днем тепло будет поступать от теплоаккумулятора;
• При наличии нижнего теплообменника – подключать дополнительные источники тепла, солнечный коллектор, запасной котел, работающий на газу или дизтопливе, геотермальный тепловой насос;
• С вмонтированными ТЭНами использоваться в качестве запасного источника тепла на случай, если твердотопливный котел не работает или отключен для профилактики и ремонта;
• При наличии верхнего теплообменника – для подключения контура ГВС или бойлера косвенного нагрева. Некоторые модели теплоаккумуляторов вместо теплообменника снабжаются готовым бойлером, размещенным внутри основной емкости;
• Реализовать дополнительную защиту в системах с принудительной циркуляцией на случай отключения электроэнергии, не допуская перегрева воды в котле. Рассматривая емкость как узел гидроразвязки, его можно подключить по смешанной схеме с котлом, выше него и трубами большего диаметра для поддержания естественной циркуляции. В это же время раздача по радиаторам будет осуществляться насосом в принудительном порядке.

Расчет

Мощность ,накапливаемая теплоаккумулятором (ТА), рассчитывается исходя из объема емкости, точнее массы жидкости в ней, удельной теплоемкости жидкости, используемой для его наполнения, и разницы температур, максимальной, до которой может нагреваться жидкость, и минимальной целевой, при которой еще может осуществляться забор тепла от теплоаккумулятора к контуру отопления.

• Q = m*С*(T2-T1);
• m – масса, кг;
• С – удельная теплоемкость Вт/кг*К;
• (Т2-Т1) – дельта температур, конечной и начальной.

Если вода в котле и соответственно в ТА нагревается до 90ºС, а нижний порог берется равным 50ºС, то дельта равняется 40ºС. Если брать в качестве наполнения ТА воду, то одна тонна воды при остывании на 40ºС выделяет примерно 46 кВт*часов тепла.

Объем	0,5	1	1,5	2	3	5
Аккумулируемое тепло при ΔT = 40ºC, кВт/ч	23	46	69	92	138	230

Запасаемой энергии должно хватать для целевого использования теплоаккумулятора.

Для выбора требуемого объема теплоаккумулятора необходимо определить:

• Время, в течение которого должно хватать накопленной энергии в ТА для покрытия теплопотерь дома;
• Время, за которое должен нагреваться теплоноситель в ТА;
• Мощность основного источника тепла.

Для периодической работы котла в течение суток

Если он нужен для перевода работы котла только на ночной или дневной режим, когда тепло поступает в течение ограниченного времени, то мощности ТА должно хватать для перекрытия теплопотерь дома за оставшееся время. В то же время мощности котла должно хватать для нагрева ТА в установленный срок и опять-таки для обогрева дома.

Допустим, что используется твердотопливный котел с закладкой дров только днем в течение 10 часов, расчетные теплопотери дома для самого холодного периода года составляют 5 кВт. В сутки требуется 120 кВт*часов для полного отопления.

Аккумулятор при этом используется в течение 14 часов, это означает, что в нем необходимо аккумулировать 5кВт*14часов =70 кВт*часов тепла. Если брать в качестве теплоносителя воду, то потребуется 1,75 тонны или же объем ТА 1,75 м3. Важно, что и котел при этом должен выдать в течение всего 10 часов всю необходимое тепло, то есть его мощность должна составлять более 120/10 = 12кВт.

Если теплоаккумулятор используется в качестве запасного варианта на случай выхода из строя котла, то запасенной энергии должно хватить хотя бы на сутки или двое для покрытия всех теплопотерь в доме. Если в качестве примера взять все тот же дом на 100 м2, то для его обогрева потребуется 240 кВт*часов за двое суток, а теплоаккумулятор, наполненный водой, должен иметь объем не менее 5,3 м3.

Зато в этом случае не обязательно ТА должен нагреваться в короткий промежуток времени. Достаточно полуторного запаса по мощности котла, чтобы накопить нужный объем тепла за неделю или две.

Расчет приблизительный, без учета снижения тепловой мощности радиаторов в зависимости от температуры теплоносителя и воздуха в помещении.

Схема подключения

В самом простом случае теплоаккумулятор включается последовательно между котлом и контуром отопления. Между ТА и котлом устанавливается циркуляционный насос, чтобы горячая вода поступала в верхнюю часть ТА, выталкивая холодную воду с нижней части в котел. Между ТА и контуром отопления устанавливается циркуляционный насос для забора горячей воды из верхней части и транспортировки к радиаторам.

Однако при этом существенно поднимается общая теплоемкость системы, и при начальном запуске отопления придется ждать, пока не нагреется весь объем ТА, прежде чем тепло дойдет до радиаторов.

Еще один вариант включения – параллельно котлу отопления. Данный вариант хорошо показывает себя в сочетании с гравитационной системой отопления. Верхний отвод теплоаккумулятора подсоединяется к самой верхней точке раздатки, а в нижнем точк – к котлу.

Из преимуществ только простота подключения и минимум используемых элементов.

Схема включения с подмешиванием

Лучше всего использовать схему включения с подмешиванием или гидроразвязкой. Используются трехходовые клапаны с термостатом. Теплоаккумулятор при этом устанавливается как отдельный элемент системы, параллельно контуру отопления.

Основная часть автоматики устанавливается на подающем трубопроводе: трехходовой клапан, термостаты, группа безопасности и т.д. По умолчанию трехходовой клапан направляет теплоноситель от котла к радиаторам, пока температура в помещении не достигнет требуемой отметки.

Схема подключения с подмешиванием

Как только необходимости в активном обогреве нет, клапан переводит часть теплоносителя от котла к теплоаккумулятору, сбрасывая лишнее тепло.

При достижении максимальной температуры воды в ТА и целевой температуры в радиаторах, срабатывает датчик, установленный в котле по перегреву, и он отключается. Пока же требуется обогрев или не прогрет теплоаккумулятор, работа котла продолжается.

Если по каким-то причинам котел перестал выдавать номинальную мощность или полностью выключился при снижении температуры на подающей линии, вода из теплоаккумулятора подмешивается в контур отопления, восполняя теплопотери системы.

Использовать можно несколько трехходовых клапанов на раздаче и на обратке и группу термостатов. Как вариант, в продаже имеются готовые сборки для подключения теплоаккумуляторов – блок автоматического подмешивания, например LADDOMAT.

Своими руками

При большом желании можно соорудить аккумулирующую емкость своими руками. В идеале она должна:

• с запасом выдерживать номинальное давление в системе;
• иметь расчетный объем;
• быть защищенной от воздействия коррозии и высоких температур;
• быть полностью герметичной.

Стандартная форма ТА – высокий цилиндр с полукруглым основанием и крышкой. Соотношение диаметра и высоты подбирается примерно 1 к 3-4, чтобы способствовать лучшему разделению тепла внутри емкости.

В этом случае с самой верхней точки идет забор горячей воды к радиаторам. Чуть выше центра вода отводится к контуру теплого пола, а в самой нижней точке ТА подключается обратная линия к котлу отопления.

Самостоятельно сварить цилиндрическую емкость практически невозможно. Проще возвести параллелепипед со схожей конфигурацией и соотношением сторон. Все углы следует дополнительно усилить.

Емкость обязательно утепляется. Использовать для этого лучше базальтовую или минеральную вату толщиной не менее 150 мм, для снижения теплопотерь через стенки.

Для установки теплоаккумулятора следует подготовить специальную опорную площадку, фундамент, способную выдержать огромный вес оборудования. Даже сам по себе аккумулятор может весить до 400-500 кг. Если же его объем, например 3 кубометра, то в наполненном виде его вес будет превышать 3,5 тонны.

Российского производства

На российском рынке представлено не так много теплоаккумуляторов отечественного производства, так как лишь недавно они стали активно внедряться в системы автономного отопления.

Модель	Дополнительные опции	Объем, м3	Рабюочее давление, бар	Максимальная температура, ºС	Примерная стоимость, руб
Сибэнерго-терм	—	0.5	6	90	28500
PROFBAK ТА-ВВ-500	Контур ГВС	0.5	3	90	56000
GidroNova-HA750	Электрический ТЭН	0.75	3	95	58000
ELECTROTHERM ET 1000 A	Контур ГВС, дополнительный теплообменник	1.0	6	95	225000