Теплоаккумулятор: Самостоятельное изготовление аккумулятора тепла

Использование теплоаккумулятора

В отличие от стандартной системы отопления, система, снабженная аккумулятором тепла, работает несколько иначе. В самом примитивном виде, сразу после котла бак устанавливается в качестве буферного устройства.

Между котлом и трубопроводами устанавливается бак со многослойной теплоизоляцией. Ёмкость бака, а она рассчитывается таким образом, чтобы количество теплоносителя внутри бака было больше, чем в системе отопления, содержит теплоноситель, нагреваемый от котла.

Внутрь бака введены несколько теплообменников для системы отопления и для системы горячего водоснабжения. Нагретый от котла внутренний объем аккумулятора долгое время может поддерживать высокую температуру и постепенно отдавать ее для систем отопления и водоснабжения.

Учитывая то, что самый маленький бак имеет объём 350 литров воды, то нетрудно рассчитать, что потратив одно и то же количество топлива при использовании теплового аккумулятора эффект будет намного больше, чем при прямой системе отопления.

Но это самый примитивный вид теплового прибора. Стандартный, рассчитанный на действительно работу в условиях теплоснабжения отдельного дома, аккумулятор теплоты может иметь:

внутренний объем от 350 до 3500 литров;
верхний теплообменник системы горячего теплоснабжения;
теплообменник системы отопления;
приборы системы безопасности – клапанную группу, манометр, патрубки выхода воздуха;
приборы системы контроля температуры, давления, предохранительные и обратные клапаны;
технологические выходы стандартной для обвязки арматуры диаметров;
высота бака с термооболочкой включает от 1,8 метра до 5,6 метра;
диаметр от 0,7 до 1,8 метра.

Цена таких аккумуляторов зависит от многих факторов:

материала изготовления бака;
объема внутреннего бака;
материала, из которого изготовлен теплообменник;
фирмы изготовителя;
комплекта дополнительного оборудования;

Замечание специалиста: рассчитать правильную работу всей системы отопления, начиная от ТТ котла и заканчивая диаметром парубков, в принципе можно и самостоятельно, но при этом следует учитывать, что мощность как котла, так и самой установки должна быть рассчитана на работу в условиях максимально низких температур в регионе.

Более детальную информацию по этому вопросу сегодня можно найти на страницах интернет сайтов, как в текстовом виде, так и воспользовавшись услугами специализированных онлайн калькуляторов, ну и конечно в специализированных фирмах, занимающихся разработкой и установкой систем теплоснабжения.

Теплоаккумулятор своими руками: схемы и описание процесса

В случае принятия решения о создании теплового аккумулятора своими руками, необходимо:

Выполнить расчёт объёма ёмкости.
Определить подходящую конструкцию — ёмкость может быть цилиндрической или прямоугольной.
Заготовить необходимые материалы и комплектующие.
Собрать и проверить устройство на герметичность.
Подключить ёмкость к системе отопления.

От объёма резервуара будет зависеть, сколько продержится тепло в помещении в период отключения котла. На фото представлен расчёт объёма для помещения в 100 м²:

Оптимальным накопителем для сохранения разогретого теплоносителя будет цилиндрическая ёмкость с выпуклыми днищами. Такая форма позволяет хранить довольно большой объём воды. Такие ёмкости можно изготовить только в заводских условиях.

Домашний мастер значительно облегчит задачу, если изыщет возможность и будет использовать уже готовую ёмкость. Для этого можно использовать:

Баллоны для хранения и транспортировки газа.
Неиспользуемые ёмкости, которые, предназначены для эксплуатации под давлением.
Ресиверы, которые были установлены в пневматическую систему железнодорожного транспорта.

Но, разумеется, допустимо использование и самодельных баков. Для их изготовления применяют листовой прокат толщиной не менее 3-х мм. Внутри ёмкости располагают 8–15-метровую медную трубку, диаметром 2–3 см, предварительно согнутую в спираль. Сверху резервуара размещают патубок для отвода горячей воды, а снизу такой же для холодной. Каждый снабжают краном для обеспечения контроля поступления жидкости.

Нормальная работа теплового накопителя основана на движении горячего и холодного теплоносителя внутри, время «зарядки» аккумулятора. Оно должно осуществляться строго по горизонтали, а в момент «разрядки» — по вертикали.

Для обеспечения такого движения необходимо обеспечить выполнения нескольких простых правил:

Контур котла требуется подключить к аккумулирующей ёмкости через циркуляционный насос.
Отопительную систему снабжают рабочей жидкостью с применением отдельного насосного агрегата и смесителя, в состав которого включён трехходовой клапан — он отбирает из накопителя требуемый объём воды.
Насосный агрегат, который устанавливают в контуре котла, по эффективности не может уступать узлу, подающему рабочую жидкость к приборам отопления.

Утепление теплоаккумулятора

Как утепляют ёмкости? Для решения этой задачи оптимальным вариантом считают базальтовую вату, толщина которого равняется 60–80 мм. Пенопласт или экструдированный пенополистирол использовать не рекомендуется. Ещё одна причина, по которой используют вату — её пожарная безопасность. Теплоизоляцию устанавливают между ёмкостью и металлическим кожухом, который изготавливают из листового проката — его необходимо покрасить.

Расчёт и Подбор Теплоаккумулятора

Заполните ниже приведенную форму и в результате расчёта будет подобран список баков аккумуляторов тепла соответствующих заданным исходным данным.

Тепловая мощность источника

Тепловая мощность потребителя

Время загрузки бака аккумулятора горячей водой

Время разбора горячей воды из бака

Время одновременной работы источника и потребителя

Температура нагретого теплоносителя поступающего в бак от источника

Температура остывшего теплоносителя поступающего в бак от потребителя

Максимальное давление в точке подключения теплоаккумулятора. Для большинства изготавливаемых баков Pmax= 3 бар

Устройство и конструкция

Расчёт и подбор

Установка и монтаж

Обслуживание и ремонт

Подбор Теплоаккумулятора

Бак аккумулятор подбирают под ранее выбранный источник тепла и рассчитывают таким образом, чтобы он мог аккумулировать всё тепло выработанное этим источником, либо под потребителя которого следует обеспечить теплом, выработанным до времени теплопотребления источником малой мощности.

Приоритетом в подборе бака аккумулятора будет источник, если его мощность или время теплопоступлений лимитировано, например:

в схеме с твердотопливным котлом для аккумулирования тепла разовой загрузки топлива и последующим разбором системой отопления в течении суток.
солнечным коллектором определённой мощности со сбором тепла в светлое время суток и пиковым или равномерным на протяжении суток использованием в системе горячего водоснабжения.

Приоритетом в подборе теплоаккумулятора будет потребитель, если требуется покрыть заданную тепловую нагрузку за определённое время, например:

в системах отопления источником тепла в которых является электрический котёл работающий только во время действия сниженного ночного тарифа;
в системах горячего водоснабжения с заданным высоким пиковым потреблением горячей воды и нагревом этой воды источником малой мощности в течении суток.

Расчёт теплоаккумулятора

Расчёт теплоаккумулятора заключается в определении аккумулирующей способности запасённого объёма воды. Аккумулирующую способность воды характеризует теплоёмкость, которая равна 4,187 кДж кг/°С, это означает что для нагрева одного килограмма воды на 1 градус необходимо подвести количество тепла эквивалентное 4,187 кДж или, что тоже самое, = 1 ккал = 1,163 Вт.ч. Например, если у нас есть бак аккумулятор тепла объёмом в 1000 литров (далее условно принята масса 1 литра воды равная 1 кг) и мы его нагреем на 50 градусов, то в нём будет аккумулировано тепловой энергии 1000*50 = 50 000 ккал = 0,05 Гкал = 58 кВт.ч. При отборе тепла и охлаждении бака на 50 градусов от него будет отведено соответственно 0,05 Гкал тепла.

В зависимости от схемы применения используются различные методики расчёта аккумуляторов тепла, но в целом при подборе следует учитывать:

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.

Расчет емкости теплоаккумулятора

Методика, по которой производится расчет, может быть разной в зависимости от схемы применения. Вот примерная схема подсчетов:

Определение максимальной загрузки топлива. Например, в топку вмещается 20 кг дров. 1 кг дров способен выделить 3,5 кВт·ч энергии. Таким образом, при сжигании одной закладки дров котел отдаст 20·3,5=70 кВт·ч тепла. Время, за которое сгорает полная закладка, можно определить опытным путем или рассчитать. Если мощность котла, например, 25 кВт 70:25=2,8 ч.
Температура теплоносителя в отопительной системе. Если система уже смонтирована, достаточно измерить температуру на входе и выходе и определить теплопотери.
Определение желательной частоты загрузки. Например, возможна загрузка утром и вечером, а днем и ночью обслуживать котел нет возможности.

Расчет теплоаккумулятора

Если за час теплопотери помещения, например, составляют 6,7 кВт, то за сутки это составит 160, кВт. В рассматриваемом примере это составляет немногим больше, чем две закладки топлива. Как было определено выше, одна закладка дров сгорает около 3 часов, выделяя 70 кВт·ч тепловой энергии.

Потребность на обогрев дома 6.7·3=20,1 кВт·ч, запас аккумулирующего бака составит 70-20,1=49,9, то есть примерно 50 кВт·ч. Этой энергии хватит на период 50:6,7 – это около 7 ч. Значит на сутки требуется две полных заклаки и одна неполная.

Исходя из этих расчетов, рассмотрев несколько вариантов, останавливаемся на таком: в 23 часа делается неполная загрузка, в 6.00 и 18.00 – полная. Если начертить график уровня заряда теплоаккумулятора, видно, что максимальный заряд приходится на 60 кВт·ч в 9 утра.

Так как 1 кВт·ч=3600 кДж, запас должен составить 60·3600=216000 кДж тепловой энергии. Запас по температуре (разность максимального показателя воды и необходимого показателя подачи) 95-57=38°С. Теплоемкость воды 4,187 кДж. Таким образом, 216000/(4,187·38)=1350 кг. В этом случае необходимый объем теплоаккумулятора составит 1,35 м3.

Рассмотренный пример дает общее представление о том, как производится расчет емкости аккумулирующего бака. В каждом отдельном случае необходимо учитывать особенности отопительной системы и условия ее эксплуатации.

Особенности установки теплоаккумулятора

Перед установкой оборудования должен быть составлен детальный проект. Необходимо учесть все требования производителей отопительного оборудования. При установке накопительного резервуара должны соблюдаться следующие правила:

Поверхность емкости должна иметь надежную теплоизоляцию.
На входе и выходе должны быть установлены термометры для контроля температуры воды.
Объемные баки чаше всего не вписываются в дверной проем. Если нет возможности внести резервуар до окончания строительства, придется использовать разборный вариант или несколько баков поменьше.
На входной трубе желательно наличие фильтра грубой очистки.
Рядом с резервуаром должны быть вмонтированы предохранительный клапан и манометр. В самом баке также должен быть воздухоотводящий клапан.
Должна быть предусмотрена возможность слива воды из бака.

Использование теплоаккумулятора в системе с твердотопливным котлом увеличивает эффективность работы теплогенератора и срок его службы, а также позволяет более экономно расходовать топливо. Возможность более редкой закладки топлива делает пользование отопительным котлом удобнее для потребителя. Расчет необходимой емкости аккумулирующего резервуара должен учитывать тип котла, особенности отопительной системы и условия ее эксплуатации.

Несмотря на простоту устройства, и очевидность пользы от использования теплоаккумуляторов, данный вид оборудования пока не очень распространен. В этой статье мы постараемся рассказать о том, что такое аккумулятор тепла и преимущества, которые приносит его использование в системах отопления.

Ключевые функции теплонакопителей

Принцип работы теплоаккумулятора

Теплоаккумулятор имеет множество полезных функций, в числе которых:

обеспечение пользователя горячей водой;
нормализация температурного режима в обогреваемых помещениях;
повышение показателей полезного действия отопительной системы с одновременным уменьшением расходов на обогрев;
возможность объединения нескольких тепловых источников в единый контур;
накопление лишней энергии, которую вырабатывает котел и т.д.

При всех своих преимуществах теплоаккумуляторы имеют всего 2 недостатка, а именно:

ресурс накапливаемой теплой жидкости напрямую зависит от объема используемого бака, но при любых обстоятельствах он остается строго ограниченным и заканчивается довольно оперативно, поэтому нужно обязательно продумать вопрос обустройства дополнительной системы нагрева;
более объемные накопители требуют достаточно много места для установки, к примеру, котельного помещения.

Бак-теплоаккумулятор для твёрдотопливного котла WIRBEL CAS-500Устройство для эффективной работы твердотопливного котла и зарядки теплового аккумуляторного бакаСхема установки

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:

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.
В системе присутствуют узлы смешивания, байпасы, поэтому возможна более точная регулировка по температуре теплоносителя. Эффективность оборудования достигается благодаря установке, например трехходовых клапанов.
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.
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.
В системе установлен дополнительный внешний теплообменник. Он позволяет поддерживать нужную температуру в аккумуляторе.
Система с проточным контуром горячего водоснабжения. Она оптимальна, если горячая вода используется равномерно. В противном случае рекомендуется приобрести энергоаккумулятор со встроенным бойлером.
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.
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.

Как и из чего сделать буферную емкость

Теплоаккумулятор изготавливают по чертежу заводского бака. Внутреннее устройство полностью идентично. Бак состоит из следующих узлов:

внутренняя емкость;

слой теплоизоляции;

наружная защитная оболочка;

теплообменник для емкости, обычно медный змеевик;

регулирующая и запорная арматура: сливной кран, предохранительный клапан, воздушный клапан, термометр.

Чтобы изготовить буферную емкость самостоятельно достаточно собрать аккумулятор подобно заводскому модулю. Следует помнить, что для разных систем отопления (открытого и закрытого типа), требуются баки разной конструкции. Также будет необходимо подобрать материал для изготовления и утепления емкости.

Тип конструкции теплонакопителя

Существует несколько видов емкостей, классифицирующийся по форме и устройству. Самодельные баки теплоаккумуляторы бывают:

Цилиндрические — классическая конструкция, используемая при изготовлении накопителей в заводских условиях. Форма имеет множество преимуществ: выдерживает тепловую нагрузку, гидроудары. Практична для закрытых систем отопления с высоким давлением в трубопроводе. Главный недостаток в том, что бак цилиндрической формы трудно изготовить.

Прямоугольные — при производстве используют металл толщиной в 2 мм. Для упрочнения конструкции буферной ёмкости, приваривают уголки (рёбра жёсткости), стягивая противоположные стенки между собой. Прямоугольная форма теплоаккумулятора хуже справляется с давлением. Общее требование при установке: монтаж накопителя выше расположения радиаторов.Прямоугольная конструкция бака широко распространена благодаря простоте сборки. Чтобы снизить нагрузку на стенки аккумулятора, в систему отопления врезают воздухоотводчик и сбросовый клапан. При закипании теплоносителя (частое явление твердотопливных котлов), арматура предотвратит возникновение аварийного давления.

Для самотечной системы отопления подойдет только открытый буферный бак. Отличие в конструкции: наличие патрубка в верхней части емкости, сообщающегося с атмосферой.

Материал для изготовления аккумуляторного бака

Вариантов для изготовления множество. Наиболее распространенные:

Бак из нержавейки — металл и сварные работы стоят дорого. По причине дороговизны нержавеющая сталь практически не используется, кроме случаев применения уже готовых емкостей.

Пластиковые бочки — важное условие эксплуатации, чтобы материал мог выдержать нагрев до 100°С. Для укрепления корпуса можно сделать окантовку из металлических полос.

Буферная емкость из «еврокуба» — применять не рекомендуется. Причина проста, максимальная температура нагрева резервуара всего 70°С. При перегреве теплоносителя стенки деформируются дадут течь. Но как видно из видео, делают теплоаккумуляторы и из «еврокубов».

Алюминиевая ёмкость — используют уже готовые резервуары с достаточным объемом. Изготовить бак из алюминия самостоятельно получится только при наличии должной квалификации сварщика. Не все профессиональные мастера берутся за обработку этого металла.

Теплоаккумулятор из бочек (металлических) — недостатки: тонкостенная сталь, плоские крышки. Хорошая альтернатива, взять заготовку стальной трубы и изготовить бак приварив дно и верхнюю часть.

Стальная емкость под теплоаккумулятор (цилиндрическая) — оптимальный вариант, требующий минимального количества материальных затрат. Делается из листового железа от 2 мм и толще.

Кроме изготовления сварной конструкции бака используют уже готовые емкости. Подойдут: старые бойлеры, ресиверы, емкости для хранения жидкого азота, баллоны под сжиженный газ и т.п.

Как утеплить буферную емкость

В заводских накопителях изоляцию прокладывают между внутренним баком и внешним кожухом. В самодельных буферных емкостях для твердотопливного котла используется тот же метод теплоизоляции.

Утеплению подлежат стенки теплоаккумулятора. Рекомендуют использовать минеральную или базальтовую вату толщиной не менее 6-8 см. С ватой легко работать. Минеральная теплоизоляция бака пропускает влагу и конденсат (дышит), не скапливая жидкость внутри волокон.

Еще один плюс. Как показывает практика, буферные емкости, утепленные ватой, не любят мыши. При изоляции пенопластом или пенополистиролом грызуны не редко селятся внутри теплоизолирующего слоя. Появившиеся дырки приводят к быстрой потере тепла и снижению КПД накопителя.