Buforowe zbiorniki ciepła

Bufory umożliwiają ponadto regulowanie temperatury w pomieszczeniach i zasilania niskotemperaturowych systemów grzewczych, co jest szczególnie istotne w przypadku, gdy źródło ciepła nie jest stabilne – kocioł na paliwa stałe, kominek z płaszczem wodnym, kocioł zgazowujący drewno itp. Dzięki temu, że odbierają, kumulują i przekazują ciepło, możliwa jest współpraca w jednej instalacji dwóch lub nawet trzech urządzeń, np. kotła i kominka, instalacji solarnej. Zapewniają to specjalne wężownice wbudowane w zasobnik, z których każda zrzuca ciepło z innego źródła.

Urządzenia te pełnią ważną funkcję w instalacjach z pompami ciepła, gdzie dąży się do tego, żeby miały one na tyle duży zład, by sprężarka miała odpowiednio długie czasy pracy i tym samym niewielką liczbę włączeń.

Zaleca się, żeby na 1 kW mocy pompy ciepła przypadało minimum 25 l pojemności w instalacji. Bufor pełni wtedy funkcję magazynu energii, w tym potrzebnej do odmrażania parownika w pompach powietrze/woda. Może też gromadzić ciepło z innych źródeł zasilania.

Bufor może działać również jako wymiennik ciepła, podgrzewacz c.w.u. zasilany z wielu źródeł ciepła – każdego na innej wężownicy. Ich układ powinien być taki, aby źródło o najniższej temperaturze miało możliwość montażu grzałki elektrycznej. Straty ciepła w buforze nie są duże dzięki skutecznej izolacji termicznej. W praktyce przy dobrze zaizolowanym zbiorniku o pojemności 1000 l temperatura cieczy roboczej nie powinna spadać o więcej niż 2–3°C na dobę.

Bufory mają duże wymiary – trzeba mieć to na uwadze przy projektowaniu kotłowni, gdyż architekci często ograniczają jej przestrzeń do minimum. Bufor ciepła wymaga też z reguły większego naczynia wzbiorczego.

Rodzaje zbiorników

Praktyczne zastosowanie znajduje kilka rodzajów zbiorników akumulacyjnych. Najogólniejszą klasyfikacją jest podział na akumulacyjne zbiorniki proste i kombinowane. W obu grupach można wyodrębnić podgrupy, zbiorniki mogą mieć bowiem jedną, dwie lub trzy wężownice, najczęściej o konstrukcji spiralnej.

Wykorzystuje się również wężownice c.w.u., które zapewniają przepływowe podgrzewanie wody, przy czym utrzymana być musi wysoka temperatura cieczy grzewczej.

Za najprostsze rozwiązania uznaje się zbiorniki bez wężownic.

Zbiorniki buforowe z jedną wężownicą umożliwiają połączenie np. kolektorów słonecznych z instalacjami pracującymi w układzie otwartym.

Na rynku dostępne są m.in. ciśnieniowe pojemnościowe podgrzewacze wody wyposażone w grzałkę elektryczną i wężownicę. Takie urządzenie jest w stanie obsługiwać jeden lub kilka poborów wody. Przy podgrzewaniu wody wykorzystuje się miedzianą grzałkę elektryczną lub wymiennik ciepła. Wbudowany termometr mierzy temperaturę wody znajdującej się w zasobniku, a użytkownik może nastawiać temperaturę ogrzewanej wody. Zasobniki są zwykle wykonywane ze stali, którą dodatkowo pokrywa się emalią. Ważna jest również anoda magnezowa i izolacja – najczęściej z pianki poliuretanowej. W zależności od rozwiązania wybrać można urządzenie montowane pionowo lub poziomo.

Dostępne są również zbiorniki wyposażone w dwie lub trzy wężownice. W porównaniu do rozwiązań bazujących na jednej wężownicy mają one z reguły większe wymiary. Jedno z zastosowań takiego urządzenia obejmuje np. podłączenie do bufora kotła na paliwa stałe, który pracuje w układzie otwartym z resztą instalacji działającą w układzie zamkniętym.

Najbardziej rozbudowane są zasobniki kombinowane, mające konstrukcję tzw. zbiornik w zbiorniku. Ich zaletą jest uproszczenie instalacji poprzez zastosowanie mniejszej liczby pomp obiegowych. W efekcie zwiększa się poziom niezawodności instalacji i niższe są koszty eksploatacji przy prostszym sterowaniu całym układem.

Korzyścią jest również możliwość wykorzystania uwarstwienia cieczy w zbiorniku. Tym sposobem wysokotemperaturowy (np. grzejniki) i niskotemperaturowy obieg grzewczy (np. instalacja ogrzewania podłogowego) mogą być podłączone do przyłączy znajdujących się na różnych wysokościach.

Rozbudowane bufory umożliwiają wykonywanie instalacji etapami poprzez podłączanie kolejnych źródeł ciepła w różnym czasie bez konieczności przeróbki instalacji.

Przykłady konfiguracji

Możliwości konfiguracji buforów ze źródłami ciepła i instalacjami grzewczymi jest przynajmniej kilka.

W prostszym rozwiązaniu bufor może mieć wężownicę do c.w.u. oraz podłączenie urządzenia grzewczego bezpośrednio do płaszcza wodnego.

Z kolei w innej aplikacji zbiornik współpracujący z kolektorami słonecznymi ma dwie wężownice (c.w.u., podłączenie kolektorów) oraz podłączenie urządzeń grzewczych bezpośrednio do płaszcza.

Bufor ciepła może również współpracować z pompą ciepła. W takim rozwiązaniu przewiduje się dwie wężownice (c.w.u., pompa ciepła) oraz podłączenie urządzeń grzewczych bezpośrednio do płaszcza.

W instalacjach wielomedialnych można wykorzystać np. trzy wężownice (pompa ciepła, c.w.u., kolektory) oraz podłączenie urządzeń grzewczych bezpośrednio do płaszcza.

Przykładowy schemat układu hybrydowego zasilanego powietrzną pompą ciepła i jednofunkcyjnym kotłem gazowym przedstawia rys. 1. W instalacji zastosowano wymiennik 250 l oraz zbiornik buforowy 300 l

Zbiornik buforowy z kotłem na paliwa stałe

W przypadku buforów współpracujących z kotłami na paliwa stałe zyskuje się przede wszystkim obniżenie kosztów ogrzewania i zmniejszenie zużycia kotła dzięki możliwości jego pracy z mocą nominalną, zapewniającą najwyższą sprawność.

Jak wiadomo, zapotrzebowanie na moc nominalną w sezonie grzewczym jest z reguły małe i występuje jedynie podczas skrajnie niskich temperatur. Obniża się więc sprawność, która może wynosić średnio zaledwie 50–60%. Niższa sprawność kotła występuje również w okresach przejściowych i gdy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze.

Zapewnienie efektywnego spalania pozwala zmniejszyć do minimum tlenie paliwa (nieekonomiczne spalanie), co także ogranicza zanieczyszczenie kotła i komina oraz redukuje szkodliwą emisję.

W instalacji kotła na paliwa stałe z buforem ciepła czynnik roboczy jest podgrzewany niezależnie od zapotrzebowania instalacji na ciepło. Tym sposobem moc kotła nie zależy od chwilowych zmian w ilości pobieranego ciepła, a kocioł może pracować z mocą nominalną, co zapewni najwyższy poziom sprawności. Wszelkie nadmiary w ilości ciepła są wykorzystywane w czasie faktycznego zapotrzebowania na energię cieplną.

Akumulacja ciepła zapewnia stabilizację temperatury czynnika roboczego w instalacji grzewczej. Ze względu na to, że podgrzanie znacznej ilości wody wymaga dużo energii cieplnej, nie dochodzi do zjawiska wrzenia cieczy roboczej lub zwiększenia płomienia w kotle zasypowym czy w kominku z płaszczem wodnym.

Na poprawność pracy układu nie wpływa również brak energii elektrycznej, pomiędzy kotłem a zasobnikiem nie ma bowiem pompy.

Podobnie sytuacja wygląda w przypadku kotłów zgazowujących drewno. Zjawisko zgazowania odbywa się w wysokiej temperaturze spalania i nie można zmieniać dopływu powietrza do spalania, żeby tym wpływać na moc kotła, gdy zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze. Energię trzeba zmagazynować w buforze.

Podgrzewanie c.w.u.

Zbiornik buforowy można wykorzystać do podgrzewania c.w.u. za pomocą różnych systemów instalacyjnych. W jednym z nich wężownica, która znajduje się we wnętrzu bufora, połączona jest z zewnętrznym zasobnikiem c.w.u.

Za przerwę w nagrzewaniu c.w.u. wodą znajdującą się w buforze odpowiada zawór zamontowany na połączeniu zbiornika c.w.u. i wężownicy. Jeżeli zastosowano pompę do wymuszenia obiegu, to przerwanie nagrzewania następuje z chwilą wyłączenia pompy. Woda w wężownicy może podgrzewać się również przepływowo od cieczy zgromadzonej w zasobniku.

Przykład schematy zbiornika akumulacyjnego warstwowego z dwiema wężownicami stalowymi przedstawia rys. 2.

Bufor jako wymiennik ciepła

Zbiornik buforowy pracujący jako wymiennik ciepła może mieć więcej niż jedną wężownicę. Woda, która przepływa przez zbiornik, oddaje ciepło do wody w wężownicy. Takie rozwiązanie bardzo często stosuje się do rozdzielania obiegów zamkniętych od otwartych, co stanowi alternatywę dla wymienników płytowych.

Częstym zastosowaniem zbiorników akumulacyjnych jest łączenie kilku źródeł ciepła, w tym z instalacjami solarnymi. Energia cieplna wytwarzana przez źródła ciepła podgrzewa wodę, która znajduje się w zasobniku. Poszczególne wężownice mogą być wykorzystane do rozdzielenia obiegów.

Podsumowanie

Celem buforów ciepła jest przede wszystkim magazynowanie energii cieplnej w wodzie znajdującej się w zbiorniku. Wiele źródeł ciepła, jak np. kotły na paliwa stałe czy kolektory słoneczne, nie może dostarczać energii według aktualnego zapotrzebowania.

Z kolei praca pomp ciepła jest tańsza w niższej taryfie. Konieczne jest więc magazynowanie nadwyżek ciepła, żeby można było z niego skorzystać również wtedy, gdy urządzenia nie pracują albo występuje zwiększone zapotrzebowanie na ciepło do c.o. lub ciepłą wodę.

Magazynowanie ciepła w buforach pozwala na pracę kotłów na paliwa stałe z maksymalną sprawnością i tym samym przyczynia się do niższej emisji szkodliwych spalin i pyłów.

Bufory umożliwiają także skuteczne odebranie ciepła z instalacji solarnych na potrzeby przygotowania c.w.u. i ewentualne jej dogrzanie do określonej temperatury. Ich ważną cechą jest możliwość połączenia kilku źródeł ciepła w ramach jednej instalacji.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!