Буферна ємність - «серце» теплосистеми

С. Шовкопляс

Сучасні теплоакумулюючі ємності – це елемент системи теплопостачання та ГВП, до якого поєднуються різні джерела теплової енергії з різною продуктивністю, узгоджуються різні рівні температури теплоносія від них, акумулюється та зберігається теплова енергія. Це, без перебільшення, центральний елемент теплової системи, вибір якого багато в чому буде визначати технічне рішення в цілому, а відтак – ефективність та економічність розподілу тепла для опалення та ГВП

Обираючи технічне обладнання для комбінованої системи опалення та ГВП, користувач зазвичай більше уваги приділяє тим апаратам, що генерують тепло – газові, твердопаливні або рідкопаливні обігрівачі, теплові насоси, сонячні теплові колектори, електрокотли… Менше уваги звертається на теплоакумулюючі ємності, що відносять до категорії допоміжного обладнання. Проте саме правильний вибір накопичувачів гарячої води допомагає поєднати різні підсистеми в цілісну систему.

Наприклад, геліотермічна установка виробляє теплову енергію, яка використовується для приготування води для гарячого водопостачання та частково для опалення. Проте здебільшого надходження сонячної енергії та її споживання не співпадають в часі ані за кількістю, ані за температурними показниками. Тому потрібна буферна ємність, що має відігравати роль тимчасового акумулятора тепла, з якої у разі потреби теплова енергія або підготована гаряча вода надходить до споживача. Генератори тепла іншої фізичної природи – теплові насоси або котли – виробляють тепло з іншою температурою та в іншому режимі порівняно з геліосистемою. (Більше про рішення для комбінованих систем опалення та ГВП можна дізнатись у статті «ÐšÐ¾Ð¼Ð±Ñ–новані системи опалення: рекомендовано виробниками», журнал AW-Therm, березень-квітень, №2-2016).

Якщо спрощено, то теплоакумулююча ємність для - це металевий резервуар з теплоносієм під тиском, що циркулює в системі, основне призначення якого полягає в накопиченні та зберіганні теплової енергії від різних джерел і передачі її в систему опалення / ГВП за запитом. Залежно від моделі теплового акумулятора, до нього можна одночасно під’єднати як низькотемпературні (теплові насоси, конденсаційні газові котли), так і високотемпературні (твердопаливні, електричні, традиційні газові котли) генератори тепла.

Для виготовлення теплоакумулюючих ємностей використовують різні матеріали – вуглецеву сталь із різними антикорозійними покриттями (емалі та антикорозійні металеві та полімерні покриття, біокераміку), інколи з катодним захистом, неіржавіючу сталь. Цей перелік не є вичерпним.

Щоби акумулювати тепло, буферна ємність для опалення та ГВП повинна мати відмінні теплоізоляційні характеристики. Товщина теплоізоляції зазвичай становить від 5–10 см для бокових частин, чи навіть більше, і може сягати до 50 см у верхній частині або мати вакуумовану порожнину. Також ємність часто встановлюють на ніжках, щоби не мати прямого контакту дна з підлогою. Нижня теплоізоляція може сягати у деяких моделях до 20 см. Товщина теплоізоляційного шару дуже залежить від застосовуваного ізолюючого матеріалу. Ємності класу А чи А+, наприклад, наразі теплоізолюються спеціально розробленими багатошаровими високотехнологічними композитними утеплювачами.

Енергетична ємність теплоакумулюючого баку залежить від фізико-хімічних властивостей теплоносія. Поки що вода є найпоширенішим теплоносієм, проте існує декілька дослідницьких проектів, які вивчають можливість акумулювання теплової енергії на базі твердих та рідких теплосорбційних сполук, що мають більшу щільність акумулювання теплової енергії порівняно з водою. Наприклад, для сучасного будинку на одну сім’ю на сезон достатньо енергії, що містить гаряча вода температурою 60–65°Ð¡ в об’ємі 120 м³. Та ж сама кількість тепла може вміститися в латентному тепловому акумуляторі об’ємом 60 м³, а місткість хімічного акумулятора, що використовує «Ð¿Ñ€Ð¸Ñ…Ð¾Ð²Ð°Ð½Ñƒ теплоту» переходу в інший фазовий стан, може становити лише 12 м³. На ринку такі технології на даний момент взагалі не представлені.

Акумулювання тепла для ГВП

Як зазначалося вище, головною функцією теплоакумулятора є накопичення енергії від різних джерел тепла (до кількох діб) та подальший розподіл її в системи опалення та водопостачання. Це важливо, коли в якості генераторів використовуються джерела тепла, що працюють у змінному режимі за часом, потужністю та температурою.

Для прикладу розглянемо одну із схем підключення сонячного колектору для приготування води санітарного призначення. Для цього в більшості випадків в якості теплоакумулюючої ємності використовують звичайний бойлер непрямого нагріву (рис.1). Зазначимо, що на рис. 1 наведена схема для геліосистеми на воді компанії Paradigma. При застосуванні у якості теплоносія полігліколевих розчинів геліомодуль поєднується з іншими частинами теплосистеми тільки на рівні теплових потоків, без змішування рідин, наприклад, із застосуванням окремого змійовика.

Рис. 1. Схема з під’єднанням бойлеру ГВП до геліоколекторів на воді через буфер системи опалювання

Нагрів бойлеру ГВП (рис. 1) здійснюється за рахунок циркуляційного насосу, який прокачує гарячий теплоносій (воду) з буферної ємності через теплообмінник, що розташований в середині бойлеру. Ввімкнення насосу відбувається автоматично, залежно від фактичної температури гарячої води. За даною схемою, гаряча вода нагрівається навіть тоді, коли вона не використовується, і залишається в бойлері ГВП до моменту, поки не відкриється кран в системі гарячого водопостачання.

Розглянемо ще приклад теплоакумулюючої ємності, що задіяна в комбінованих системах опалення та ГВП. На рис. 2 показані підключення буферного накопичувача allSTOR VPS від компанії Vaillant до каналів опалення та ГВП. Моделі з індексом Е спроектовані для роботи з геліоколекторами. Буферний накопичувач allSTOR має підключення для трубної обв'язки опалення, опалювального приладу, насосної станції подачі теплоносія від геліоколекторів та до станції питної води, а також вентиль для видалення повітря. Він накопичує тепло одного або кількох теплогенераторів і через насосну станцію подачі теплоносія від геліоколектора (за наявності) може зберігати сонячне тепло. Буферний накопичувач працює у якості проміжного пристрою для зберігання води для опалення та подальшого її транспортування до опалювального контуру або до станції питної води для приготування гарячої води. Експлікація каналів під’єднання добре ілюструє можливості та призначення буферного накопичувача allSTOR VPS.

Рис. 2. Під’єднання буферної ємності allSTOR моделей VPS 300/3 - VPS 2000/3 - E для опалення та ГВП до геліоколекторів

1. Отвір під вентиль для видалення повітря. 2. Подавальна лінія води системи опалення для станції питної води при настінному монтажі/подавальна або зворотна лінія для каскаду. 3. Подавальна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в гарячій воді. 4. Подавальна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в гарячій воді. 5. Зворотна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в гарячій воді. 6. Подавальна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в воді системи опалення / подавальна лінія опалювальних контурів. 7. Подавальна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в воді системи опалення / подавальна лінія опалювальних контурів. 8. Зворотна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в воді системи опалення. 9. Зворотна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в гарячій воді / зворотна лінія опалювальних контурів. 10. Зворотна лінія опалювальних приладів для покриття потреби в воді системи опалення / зворотна лінія опалювальних контурів. 11. Зворотна лінія води системи опалення для станції питної води при настінному монтажі / подавальна або зворотна лінія для каскаду. 12. Зворотна лінія води системи опалення для насосної станції завантаження від геліоколекторів (тільки VPS/3-E). 13. Подавальна лінія води системи опалення для насосної станції завантаження від геліоколекторів для низьких температур (тільки VPS/3-E). 14. Подавальна лінія води системи опалення для насосної станції завантаження від геліоколекторів для високих температур (тільки VPS/3-E). 15. Зворотна лінія води системи опалення для станції питної води (тільки VPS/3-E). 16. Подавальна лінія води системи опалення для станції питної води (тільки VPS/3-E).

Приготування гарячої води з накопичувачем має два основних недоліки. Перше – це тепловтрати бойлера, які можуть становити до 400 кВт•Ð³Ð¾Ð´ на рік у випадку з бойлером на 200 л і заданою температурою гарячої води 60°Ð¡. Друге – виникає проблема з появою легіонел (мікроорганізмів, які розмножуються в теплій воді), що призводить до появи неприємного запаху води, а в деяких випадках може спровокувати легіонельоз – алергічну реакцію або розлад здоров’я користувача гарячої води в якості питної. Проте, будь-яка сучасна система управління нагріву води санітарного призначення має програму «Ð°Ð½Ñ‚илегіонела», що передбачає алгоритм боротьби з мікроорганізмами за рахунок нагріву бойлера до температури 65-70°Ð¡, яка вмикається, приміром, один раз на тиждень.

Інша схема виконання дозволяє організувати узгодження теплових гілок системи без бойлерного баку, гаряча вода гріється в проточному режимі, проходячи через теплообмінник, який може бути розташований в буферної ємності у вигляді змійовика, виготовленого з неіржавіючої сталі. Або це може бути окремий теплообмінник пластинчатого типу, який розташовується поряд з теплоакумулюючою ємністю (рис. 4). Коли використовується проточний водонагрівач, то приготування гарячої води відбувається тоді, коли в цьому є потреба. Завдяки тому, що вода для ГВП гріється протоком, то немає проблеми з легіонелами (завжди гріється «ÑÐ²Ñ–жа» вода), відсутні додаткові тепловтрати бойлера, треба менше місця для розташування всіх необхідних компонентів теплової системи.

Буферна ємність з пошаровим накопиченням тепла

Ємності даного типу побудовані на використанні різної щільності води за різної температури: гарячий теплоносій буде збиратися у верхній частині ємності, а холодніший – внизу. Це зроблено для узгодження теплових потоків від різних джерел постачання теплової енергії, що мають різний тепловий потенціал – високотемпературних (газові чи твердопаливні котли), середньотемпературних (теплові насоси, геліосистеми) та низькотемпературних (зворотні лінії) генераторів тепла, та для розподілу виходів для споживачів – високотемпературних (радіаторне опалення) і середньотемпературних («Ñ‚епла підлога», фенкойли) ліній.

В такій ємності забезпечене ламінарне струминне надходження теплоносія без об’ємного його змішування, і можна використовувати високотемпературний теплоносій у верхній частині для приготування гарячої води для ГВП або ж для радіаторного опалення, а коли охолоджений теплоносій потрапляє назад до баку, він не змішується напряму з гарячим середовищем, тобто безпосередньо не охолоджує верхню частину ємності. Застосування ємності з пошаровим накопиченням тепла також зменшує кількість ввімкнення котла для донагрівання рідини, що, в свою чергу, економить енергію та кошти, збільшує практичний ресурс котлів.

Розрізняють два типи ємностей з пошаровим накопиченням теплової енергії – з пасивним та активним пошаровим накопиченням.

Пасивне пошарове накопичення теплової енергії здійснюється за рахунок внутрішньої конструкції ємності, наприклад, гарячий теплоносій від теплообмінника, що через проміжний буферний бак був з’єднаний з геліотермічною установкою, піднімається до гори по власному патрубку і виходить з бокових отворів лише тоді, коли «Ð·Ð·Ð¾Ð²Ð½Ñ–» знаходиться теплоносій з такою ж температурою. Приклад саме теплоносія, нагрітого від тепла геліотермічної установки, тут досить показовий – геліоустановка працює в різних режимах залежно від надходження сонячної енергії і може мати різну температуру протягом доби. Пошарове накопичення дозволяє акумулювати теплову енергію, отриману у різних режимах. Коли геліоустановка працює на повну потужність, вода, що нагріта нею (прямо – у водяних або непрямо – у системах з теплоносієм із полігликолевого розчину), надходить лише в верхню (найбільш гарячу) частину ємності.

У випадку активного пошарового накопичення температурне розділення здійснюється за рахунок системи трубопроводів, яка розташована ззовні баку з вхідними патрубками на різній висоті. Залежно від температури теплоносія, що надходить від теплогенератора (наприклад, геліотермічної установки), він спрямовується у верхню, середню або нижню частину ємності за допомогою перемикання двоходових клапанів. Такі ємності менші в діаметрі та дещо вищі від звичайних. І чим більше буде потрібно температурних шарів, тим складніша система управління для реалізації даної схеми акумулювання.

Теплоносій від теплового насосу має середню температуру (за якої COP, тобто коефіцієнт ефективності теплового насосу, є найвищим), і його зазвичай направляють в середню частину ємності.

Рис. 3. Приготування ГВП в комбінованій буферній ємності:
а) з вмонтованим бойлером («Ð±Ð°Ðº в баку»);
б) з проточним теплообмінником

Комбінована буферна ємність

Комбінована теплоакумулююча ємність – це альтернатива буферному баку (що поєднує потоки тепла від різних джерел) та бойлеру (водонагрівачу). В даному випадку реалізується одночасний принцип нагрівання води для гарячого водопостачання і для опалення, до того ж теплоносій всередині ємності також використовується в опаленні. Зазвичай є можливість приєднати до системи твердопаливний та /або газовий котел та /або інші теплогенератори (тепловий насос, ТЕН або електрокотел). Підраховано, що комбіновані схеми опалення та ГВП з підключенням різних джерел тепла за рахунок акумулювання тепла у таких ємностях економлять до 25-30% органічного палива або електрики та зменшують кількість підключень котлів для донагрівання теплоносія.

Приготування ГВП в комбінованій буферній ємності відбувається двома методами – проточним теплообмінником або вмонтованим бойлером («Ð±Ð°Ðº в баку»).

Виконання «Ð±Ð°Ðº в баку» – це комбінація двох ємностей в одному агрегаті, у верхній частині знаходиться резервуар для води санітарного призначення, в нижній – ємність з теплоносієм для опалення, що під’єднана до різних джерел теплогенерації (рис. 3а). Деякі виробники пропонують комбіновані ємності даного типу з додатковим змійовиком для геліотермічної установки, або з можливістю підключення твердопаливних котлів, з вмонтованим ТЕНом тощо.

Наприклад, «Ð¢ÐµÐ¿Ð»Ð¾Ð±Ð°Ðº» (Україна) виготовляє внутрішні баки з хвилеподібною стінкою. Такі баки міцніші, ніж звичайні, окрім того, вони мають властивість самоочищувати стінки внутрішнього баку від накипу. Внутрішній бак з дещо хвилястою формою стінки має збільшену площу теплообміну, а отже і продуктивність ГВП, меншу масу і товщину стінок за гарантованої міцності баку. Ємності типу «Ð±Ð°Ðº в баку» характеризуються меншою вартістю, аніж ємності з вбудованою станцією приготування гарячої води. Проте, окрім теплового узгодження роботи системи, тут треба враховувати показники тиску всередині та ззовні внутрішнього баку.

Відео. Виробництво комбінованих буферних ємностей

Більш традиційне виконання схеми ГВП – з теплообмінником, встановленим всередині баку. Це проточна схема підготовки гарячої води. Кращі зразки таких виробів виготовляються з харчової неіржавіючої сталі. Для збільшення поверхні теплообміну такі внутрішні теплообмінники інколи виготовляються гофрованими.

Проте компанія «Ð¢ÐµÐ¿Ð»Ð¾Ð±Ð°Ðº» (Україна) у своїх ємностях встановлює теплообмінник ГВП не з гофрованої, а з гладкої неіржавіючої труби. Це дає можливість збільшити товщину стінки гладкої трубки до 1,5 мм проти 0,5 мм у гофрованої трубки. До того ж на жорсткій воді гофрована труба швидше забивається вапняним осадом та брудом (оскільки має западини), внаслідок чого різко погіршується продуктивність ГВП. Теплообмінник з гофротруби дуже складно промити, оскільки із западинок накип практично неможливо видалити навіть із застосуванням хімічних реагентів.

Зовнішні станції ГВП

Для підготовки води для ГВП використовують також окремі модулі, що монтуються на акумулюючій ємності і мають так званий зовнішній теплообмінник (рис. 4) пластинчастого типу. Ємності із зовнішнім теплообмінником мають дещо більшу вартість, проте характеризуються більшою продуктивністю. В більшості випадків вони також оснащуються автоматичним регулятором, який здійснює управління насосом первинного контуру в залежності до витрат гарячої води.

Рис. 4. Комбінована теплоакумулююча ємність Aqua Expresso (Paradigma) з зовнішньою станцією ГВП

Порівняно з традиційними системами приготування ГВП (котел + бойлер непрямого нагріву) буферна ємність з зовнішнім теплообмінником ГВП дозволяє заощадити місце (бойлер більше не потрібен), зменшити вартість монтажних робіт (оскільки не потрібна насосна група бойлера + кошти на її монтаж), отримати більше вигоди від експлуатації основного, скажімо, твердопаливного або газового котла, тут немає необхідності боротися з легіонелою. Такі рішення ГВП ще називають системою «Ñ–з швидкісним нагрівом», маючи на увазі, що вода для ГВП готується швидко та тільки за потребою.

Інтелектуальні буферні ємності

Зазвичай розвиненою системою автоматики облаштовуються газові котли або теплові насоси, а вже до них під’єднуються інші гілки автоматики опалювального та ГВП-контура будівлі. Геліосистема типово має власну, дещо автономізовану та замкнену схему – гідравлічно та в сенсі автоматики. Це пояснюється тим, що в контурах опалення, ГВП та в геліосистемі можуть використовуватися різні теплоносії – за температурою, тиском та за хімічним складом.

Отже, як правило, за головну систему керування вибирають ту автоматику, якою обладнане найбільш використовуване джерело (за часом або за потужністю). Наприклад, практично весь час працюючий тепловий насос або малоінерційний газовий котел, що постійно під’єднаний до системи опалення та ГВП в режимі очікування. Це правило справедливе для комбінованих схем, що водночас реалізуються у новій будівлі. Але, коли теплова система нарощується поетапно,то до старого існуючого обладнання поступово доєднуються відновлювані джерела – теплові насоси та геліоконтури, то виникає проблема в узгодженні роботи компонентів та ефективному керуванні всім інтегрованим обладнанням.

Особливо це стає актуальним для модернізації теплової системи, коли існуючі підсистеми (наприклад, газове опалювальне обладнання), хоча і не надсучасні, але ще цілком роботоспроможні, та не відпрацювали визначений їм ресурс, але не були обладнані новітньою автоматикою.

Тоді найбільш вдалим та економічно виправданим рішенням є таке, коли інтелектуальним центром, власне «Ð¼Ð¾Ð·ÐºÐ¾Ð¼» всієї системи з різними джерелами теплової енергії та з різною продуктивністю (в тому числі – з відновлюваних джерел), стає саме акумулююча ємність.

Наприклад, як це зроблено компанією Oventrop у «Ñ†ÐµÐ½Ñ‚рі накопичення енергії» Regucor для нових та існуючих будівель. Модульні центри зберігання енергії використовуються для забезпечення окремих будинків теплом і гарячою водою та в домах із власниками «Ð½Ð° половину дома» із об’єднаною інженерною системою. Oventrop пропонує дві моделі Regucor WHS типів «800» і «1000» з робочим об’ємом 770 та 900 л відповідно (з можливістю підключення геліосистеми) та Regucor WH, див. рис. 5. Вони мають всю належну арматуру та регулюючі пристрої для підключення геліоколекторів (у моделі Regucor WHS), станції приготування питної води для ГВП, циркуляційної станції двоконтурної системи опалення, підключеної до циліндричної багатошарової теплоізольованої ємності для зберігання гарячої води, автоматику з можливістю підключення різних теплогенераторів (котел, тепловий насос тощо) та контролеру з дистанційним керуванням та погодозалежним керуванням, в тому числі від бездротових датчиків внутрішньої та зовнішньої температури.

Рис. 5. Інтелектуальна акумулююча ємність Oventrop Regucor WHS

Ємності мають гідравлічно скоординовані компоненти для пошарового зберігання тепла і теплопостачання з підключенням відновлюваних систем (сонячна енергія, тверде паливо і т.д.) та стабільні температури пошарового акумулювання.

Низькі втрати тепла за рахунок теплоізоляції ємності класу енергозбереження «Ð’» поєднані з конструктивною особливістю, що найбільший об’єм теплої води з найнижчим рівнем температури накопичується у нижній частині резервуару, отже – має найменшу різницю температури всередині і ззовні ємності.

Контролер Regtronic RS-B для управління усім «Ñ†ÐµÐ½Ñ‚ром накопичення енергії» Regucor WHS і іншими компонентами установки, наприклад, котлом на твердому паливі, керує перезавантаженням акумулюючої ємності, обліком енергії, програмою термічної дезінфекції тощо, та має:

• до 13 вільних входів (наприклад, для вимірювання температури);
• до 9 вільних твердотільних реле (наприклад, для підключення існуючого генератора тепла);
• послідовну шину для підключення до реєстратора даних для візуалізації і моніторингу енергоефективності;
• слот для SD-карти (для запису даних та переносу їх на ПК, для оновлення програмного забезпечення тощо).

Облаштована таким чином система спрощує її параметризацію, і тим самим полегшується інтеграція декількох джерел тепла (наприклад, рідкопаливні, газові теплогенератори або котли на твердому паливі) від різних виробників. Контролер має різні додаткові функції, такі як пошаровий облік теплоносія у ємності, обрахування та облік теплообміну, теплового навантаження та ступінь продуктивності котла на газі або на мазуті порівняно з котлом на твердому паливі, контроль змішувального клапану, вимірювання споживання тепла, функціонування трубчастого геліоколектору, системи скидання теплоносія для запобігання стагнації геліоконтуру (технологія «Drain back»), стеження за підтриманням оптимальної різниці температур у гілках системи, контроль насосів циркуляції тощо. Додаткові функції легко підключити завдяки інтуїтивно зрозумілому інтерфейсу. Ще до 5 модулів розширення Regtronic ЕМ-B можуть бути підключені до модуля Regtronic RS-B. Таким чином, загальна кількість релейних виходів системи управління досягає 39 індивідуальних схем конфігурацій трубопроводів.

Через послідовну шину до контролеру можна доєднати модем TCP/IP з дротовим або бездротовим виходом в Інтернет, а через нього здійснювати віддалений контроль за всією тепловою системою, інтегрованою цією інтелектуальною ємністю, за допомогою ПК, ноутбука, планшету чи смартфону із встановленим відповідним мобільним додатком.

Вибір типу теплоакумулюючої ємності, її об’єм та число належних їй задач, кількість під’єднань трубопроводів до неї у кожному конкретному випадку залежать від технічних особливостей системи. Наразі на ринку представлено дуже багато баків та акумулюючих ємностей від вітчизняних та закордонних виробників. Вони мають спеціальні функції та конструктивні особливості, правильне використання яких дозволить значно підвищити енергоефективність системи опалення та підготування гарячої води, ба більше – стати власне «ÑÐµÑ€Ñ†ÐµÐ¼», ключовою ланкою всієї теплосистеми вашого дому.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Вам також може сподобатися

Bosch Compress 3000 AWP – новий тепловий насос «повітря-вода»

Темперування бетону: використання у будівлях для створення комфортних умов

Котли на дровах, пелетах та деревній трісці для домогосподарства

Сонячні панелі: використання новітніх технологій та «лайфхаки»