Теплоаккумулятор для котлов отопления: назначение и принцип работы

Нюансы использования

Закономерен вопрос — зачем нужен термоаккумулятор, если система отопления и так неплохо справляется с поставленной задачей? Именно поэтому стоит тщательнее разобрать все случаи, когда применение подобного устройства оправданно.

Подсоединение

Неважно, оснащен ли твердотопливный котел водяным контуром или нет, при оптимальном режиме топливо сгорает, образуя как можно меньше остатков, причем не только золы, но и кислоты с дегтем. Мощность в таких системах регулируется ограничением доступа кислорода в топку

Однако израсходовать все тепло, выделяемое при сгорании твердого топлива, не представляется возможным – иначе радиаторы будут сильно нагреваться, а трубы быстро изнашиваться.

При этом использование теплоаккумулятора для работы твердотопливного котла дает следующие возможности: отправка тепла, которое вырабатывает котел, в бак теплоаккумулятора и циркуляция теплой воды в системе после полного сгорания топлива в котле.

Применение в электрокотлах

Когда дома установлен электрокотел, то монтаж к нему теплоаккумулятора эффективен при снижении тариф на потребление электроэнергии (двухтарифный счетчик) в ночное время. Нужно запрограммировать таймер котла на включение ночью, и он будет нагревать дополнительную емкость аккумулятора, а днем полученная тепловая энергия будет обогревать жилье.

Такая простая схема использования теплоаккумулятора и электрического котла в комплексе позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию.

Описание работы

Внутри теплонакопителя располагаются тепло-накопительные магнезитовые блоки, а между ними проходят трубчатые электронагреватели. В целях предотвращения неконтролируемой теплоотдачи нагревательное ядро должно быть изолировано от внешней среды теплоизоляционными пластинами. А для облегчения технического обслуживания и проведения профилактических работ теплонакопитель снабжают быстросъемными элементами (обычно это передняя и боковые панели). Воздух в теплонакопителе нагревается, проходя по специальным воздушным каналам, расположенными между накопительными блоками. Нагретый воздух поступает к выпускной решетке, откуда с помощью встроенного вентилятора направляется во внешнюю среду.

Принцип работы

Основная цель этого устройства — накапливать тепло при работе основного водонагревателя и отдавать накопленное при остановке его работы. Именно поэтому он называется теплоаккумулятором.

Своими руками для котлов отопления его делают обычно по следующим причинам:

1. Желание сэкономить на топливе основного теплогенератора.
2. Возможность отключать или не следить за топкой. Например, в ночное время.
3. При работе электрокотла возможность выбирать время работы, когда оплата за энергию берётся в льготном режиме (чаще всего это ночное время).

В этом видео вы узнаете, как сделать теплоаккумулятор:

Расчет теплоаккумулятора

Расчет емкости буферного накопителя требует тщательности. В первую очередь необходимо определить для каких целей будет применяться емкость. Если для уменьшения инерционности при работе твердотопливного котла, применяются одни формулы, для работы при отсутствии электроэнергии в тепловых насосах – другие. В первую очередь рассмотрим систему с твердотопливным котлом.

Как вариант, можно применить простейшую формулу, которая позволяет приблизительно подобрать емкость бака в зависимости от мощности котла. Например, рекомендуется подбирать объем теплоаккумулятора в пределах 40–80 л на 1 кВт мощности котла. Этот метод прост, но не надежен.

Так как во время отопительного сезона требуется лишь небольшая часть от общей потребности в тепле, то при использовании с учетом средней температура наружного воздуха за отопительный период можно подобрать оптимальный режим системы. Для этого необходимо рассчитать емкость по какой формуле: V=2246*((2,5-Qn/Q))/(73-0,4*T)*Qn (Qn – расчетная отопительная нагрузка для объекта, T – расчетная температура «обратки»).

Тепловой насос требует немного других принципов выбора буферной емкости. Теплоаккумуляторы для таких систем подбирается исходя из разных принципов. Например, для оптимизации работы системы по времени можно использовать отношения 20–25 л полезного объема теплоаккумулятора на каждый кВт мощности теплового насоса.

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.

Как подключить

Человек, который много раз сталкивался с устройством систем отопления, без труда должен изготовить тепловой аккумулятор своими руками и произвести дальнейшее подключение. Не должна составить особой сложности подобная работа и для новичка.

Словами схему подключения можно описать следующим образом:

1. Транзитом сквозь весь бак должен проходить по тепловому аккумулятору обратный трубопровод, на его концах должны быть предусмотрены полуторадюймовый вход и выход
2. Вначале между собой соединяются обратка котла и бак. Между ними должен размещаться циркуляционный насос, гонящий воду из бочки в отсекающий кран, расширительный бак и отопительный прибор
3. Циркуляционный насос и отсекающий кран также монтируют со второй стороны
4. Соединять подающий трубопровод необходимо по аналогии с предыдущим, однако теперь тепловые насосы не устанавливаются

Стоит отметить, что подобным образом подключается теплоаккумулятор к отопительной системе, работающей на базе всего одного котла. Если их количество увеличивается, схема значительно усложнится.

Емкость должна дополнительно оснащаться термометром, датчиками давления внутри и взрывным клапаном. Накапливая постоянно тепло, бочка может со временем перегреться. Чтобы не допустить взрыва, необходимо сбрасывать периодически избыточное давление.

Теплоаккумулятор и разные виды отопительных систем

Устанавливать тепловой аккумулятор можно совместно с различными отопительными системами. Взаимодействуя с каждой из них, он предоставляет ряд преимуществ и быстро окупается.

Наиболее распространены теплоаккумуляторы, установленные совместно отопительным оборудованием, работающем на твердом топливе, у которых количество остатков минимально. Доведя КПД до максимально-возможного, они очень быстро разогревают отопительные радиаторы, которые вскоре изнашиваются. Часть вырабатываемой энергии лучше копить и воспользоваться, когда в ней действительно возникнет потребность.

Двукратный ночной тариф за электроэнергию – проблема для владельцев электрических отопительных котлов. Таким образом в дневное время теплоаккумулятор будет накапливать в себе тепло по более выгодной стоимости, а в ночное – отдавать его отопительной системе.

Применяются подобные установки в многоконтурных системах, распределяя воду между контурами. Если установить патрубки на разных высотах, можно осуществить отбор воды с разной температурой.

Варианты модернизации

Глядя на простейший теплоаккумулятор своими руками, человек с инженерным образованием наверняка задумается о вариантах его модернизации. Сделать это можно следующими способами:

• Внизу устанавливают еще один теплообменник, посредством которого может происходить аккумуляция энергии, полученной солнечным коллектором
• Можно разделить внутреннее пространство бака на несколько секций, сообщающихся между собой, чтобы расслоение жидкости по температурам было более выраженным
• Тратиться на теплоизоляцию или нет – каждый решает сам для себя. Но несколько сантиметров пенополиуретана существенно снизят тепловые потери
• Увеличив количество патрубков, можно будет монтировать установку к более сложным отопительным системам с несколькими контурами, работающими независимо
• Можно сделать дополнительный теплообменник, в котором будет накапливаться питьевая вода

Видео — Тепловой аккумулятор в доме с периодической топкой

https://youtube.com/watch?v=rgMQG7RLCew

Подводим итоги

Собирать теплоаккумуляторы своими руками может абсолютно каждый. Для него нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование, а самая простая модель состоит из комплектующих, которые у хорошего человека всегда в гараже или кладовой.

Все те, кто не доверяет самодельным устройствам, могут ознакомиться с богатым выбором моделей на рынках. Их стоимость более чем приемлемая, а вложенные средства быстро окупаются.

Можно ли сделать своими руками

Собрать теплоаккумулятор для котлов отопления можно своими руками. Для этого необходимо взять стальной бак или приобрести листы из нержавеющей стали с толщиной более 2 мм, сварить ёмкость в виде цилиндра (вертикальный бак).

Чертеж аккумулятора

Потребуется труба из меди диаметром 2-3 см и длиной 8-15 м. Её нужно согнуть в виде спирали и поместить внутрь резервуара. Здесь аккумулятор – это верхняя часть ёмкости. В ёмкости устанавливаются подключения для выходящей горячей воды и поступающей холодной.

Фото: builditsolar.com

Для открытой системы отопления подойдёт бак из стали кубической формы.

Утепляется агрегат следующим образом:

1. Внешнюю поверхность ёмкости необходимо хорошо очистить и обезжирить, покрыть антикоррозийными веществами.
2. Выполнить теплоизоляцию. Можно обернуть ёмкость в фольгированную пленку.
3. Предусмотреть отверстия для отводных патрубков и подключить ёмкость.
4. На буферный бак необходимо установить термометр, манометр и взрывной клапан.

Для утепления лучше не использовать пенопласт. В холодное время в них заводятся мыши, которые ищут место для зимовки.

Принцип работы

Теплоаккумулятор представляет собой буферную емкость значительного объема, заполненную теплоносителем (как правило, водой — для чего нужен обратный клапан прочитайте здесь).

Поскольку, вода имеет достаточно высокую теплоемкость (при нагреве на 1 градус каждый литр воды может накапливать 4200 джоулей энергии), использование такого устройства позволяет запасать серьезные запасы тепловой энергии при работе источника тепла и, постепенно, отдавать ее на нужды потребителей в перерывах между периодами его активной работы.

При этом наблюдается еще одно позитивное явление.

Чаще всего, при проектировании систем отопления (из полипропиленовых труб в частном доме), теплогенераторы выбирают с запасом по мощности, что приводит к излишнему повышению температуры воздуха в помещениях во время работы нагревательных установок.

При включении в систему теплоаккумулятора, излишки тепловой энергии не выбрасываются в атмосферу через открытые форточки, а накапливаются для дальнейшего использования во время перерыва.

Кроме того, перепады в температуре теплоносителя (какой лучше для системы отопления на основе пропиленгликоля, написано здесь), поступающего от котлов — от минимально необходимой до максимальной (90 градусов и более), приводят:

• к перегреву радиаторов, их ускоренному износу,
• развитию коррозионных процессов,
• интенсивному образованию известкового налета.

 При стабильной температуре (про график подачи в системе отопления жилого дома написано здесь), получаемой с использованием буферной емкости, влияние этих негативных факторов, значительно, уменьшается.

Таким образом, теплоаккумуляторы позволяют добиться следующих преимуществ:

• обеспечить стабилизацию температурного режима в помещениях и непрерывное снабжение горячей водой вне зависимости от графика работы теплогенератора;
• повысить эффективность систем отопления за счет равномерного распределения тепла и уменьшения непроизводительных тепловых потерь;
• оптимизировать эксплуатационные расходы систем отопления и горячего водоснабжения;
• продлить срок службы отопительных приборов и магистралей систем теплоснабжения.

 
Кроме того, теплоаккумуляторы позволяют, достаточно, просто объединять несколько источников тепловой энергии при работе на одного потребителя.

Эти достоинства обеспечили высокий спрос на теплоаккумуляторы.

В настоящий момент, многие производители наладили выпуск серийных моделей, предназначенных для работы с различными типами источников энергии, и рассчитанных на обогрев помещений значительные площади в условиях широкого диапазона температур наружного воздуха.

ТОП-4: S-TANK АТ AT-1000

Занимающий в ТОП-10 4 место накопитель служит тем же задачам, что описанные выше – аккумулирование подогретой воды.

Описание

• Материал, применяемый для корпуса, — углеродистая сталь;
• Страна-производитель – Беларусь;
• Масса – 131 кг;
• Высота – 2035 мм;
• Диаметр – 92 см;
• Объем – 1000 л;
• Давление в баке и наибольшая температура- 6 бар и 95 градусов.

Буферный теплонакопитель не имеет теплообменник. Объем его 1000 литров, что позволяет использовать устройство с котлами 6-10 кВт, предназначенных для помещений небольшой площади. Наиболее подходит для указанного объема теплоносителя маломощный твердотопливный котел.

Сверху конструкция защищена 70-миллиметровой теплоизоляцией, которая закрыта пластиковым кожухом с алюминиевой защелкой для простоты транспортировки, установки и демонтажа. Для подачи и отвода котловой воды имеется 8 отверстий с внутренней резьбой полтора дюйма.

Помимо них есть еще 4 полудюймовых отверстия, предназначены которые для термоманометров и датчиков терморегулирующих. Давление внутри рабочей зоны – 6 бар. Его достаточно для нормального функционирования накопителя.

Схемы подключения

Полная схема подключения ТА для системы отопления

Простейшая схема подключения предполагает наличие контурного кольца прогрева котла. Это даст возможность сократить время разогрева основного контура. Термостат не позволит прогонят через теплоаккумулятор холодный теплоноситель (воду или гликоль), пока температура не установится на требуемом уровне.

Как только это произойдет, теплоноситель распределяется в двух направлениях:

1. Прогрев ТА.
2. Прогрев основного бака.

В последнем случае предполагается перемешивание с теплоносителем и перенаправление в бак. Благодаря тому увеличивается КПД и сокращается время прогрева основного контура. Такое подключение дает возможность работать системе автономно (при выключенном насосе).

Отдельный контур сообщает ТА и радиаторы. Чтобы исключит необходимость контролировать работу отопительной системы, в ее состав вводится два байпаса:

1. Содержит шаровый клапан, который перекрывается при выключенном насосе. В работу включается обратный клапан.
2. Если насос остановлен, а шаровый клапан вышел из строя, прокачка теплоносителя производится по второму (резервному) байпасу.

Схему можно упростить, исключив обратный клапан. Это делают, мотивируя тем, что он характеризуется высоким сопротивлением потока. Прибегая к такому шагу нужно помнить, что в случае прекращения подачи электроэнергии придется вручную открывать шаровый клапан.

Более сложная система с использованием альтернативного источника энергии и контура горячего водоснабжения

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.

Это самое простое определение теплоаккумулятора, однако, назначение и область применения у него гораздо шире.

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. Даже если электричество отключено или циркуляционный насос вышел из строя, то вода в котле не закипит, а будет циркулировать в малом контуре, завязанном на теплоаккумуляторе.

Как работает система отопления и какая роль у теплоаккумулятора

Использование аккумулятора тепла в системе отопления с твердотопливным котлом дает возможность экономить сырье до 50%.

В этой схеме все просто, но вместе с тем очень затратно. Маленький объем теплоносителя внутри отопительной системы не позволяет удерживать стабильную температуру продолжительное время. Соответственно, ее нужно постоянно поддерживать, иначе система остынет, а в помещении станет холодно.

При наличии теплоаккумулятора эта схема будет выглядеть иначе:

• Котел, работая, будет накапливать энергию тепла;
• После затухания или переработки всего топлива, он станет отдавать накопленное тепло радиаторам в течение определенного времени.

Таким образом, даже при неработающем котле в доме будет сохраняться стабильная температура.

Отопительная система с аккумулятором тепла имеет такие преимущества:

• Улучшаются условия проживания в доме, так как даже после использования топлива, жилье продолжает обогреваться с помощью горячей воды;
• Внезапное отключение электроэнергии не помешает продолжать нагревать воду;
• Холодная вода не пойдет в разгоряченный теплообменник при резком включении насоса.

Недостатками этой системы может быть только повышенная стоимость монтажа и определенные требования к размещению такого оборудования. Но в конечном итоге, это себя оправдывает с лихвой.

Устройство и принцип работы

Тепловой аккумулятор является буферной емкостью, которая изготовлена в форме цилиндра из нержавеющей либо черной стали.

Устройство теплоаккумулятора

Как правило в работе твердотопливного котла с теплоаккумулятором выделяют два цикла:

1. На первом цикле производятся две закладки горючего, далее, они сжигаются в режиме максимальной мощности. При данном процессе все избыточное тепло скапливается в аккумуляторе, а не вылетает в трубу.
2. Нет необходимости топить котел, поскольку поддержка оптимального режима температуры осуществляется за счет отдачи тепла от бака.

В зависимости от конструкции, выделяются следующие виды буферных емкостей:

• пустые (теплообменник отсутствует);
• с наличием одного или двух теплообменников;
• с наличием встроенных бойлеров меньшего диаметра, которые используются для возможности обеспечивать автономную работу системы горячего водоснабжения.