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:

• Чем больше пиковое теплопотребление отличается от среднечасового и чем дольше его продолжительность, тем больше должен быть объём бака накопителя тепла.
• Чем больше пиковое теплопоступление и чем меньше его продолжительность, тем больше должна быть мощность теплообменного аппарата независимо внешний он или интегрирован в бак накопитель горячей воды.
• Номинальное давление бака накопителя тепла PN должно быть больше максимального рабочего давления в точке его подключения.
• В баках аккумуляторах горячей воды с двумя и более теплообменниками, системы с большим температурным напором подключаются к верхним теплообменникам, а с меньшим — к нижним.
• Бак теплоаккумулятор, подключённый к твердотопливному котлу, должен аккумулировать тепло генерируемое, как минимум разовой загрузкой котла.
• Во всех схемах с баками аккумуляторами горячей воды обязательно должны присутствовать — расширительный бак и предохранительный клапан.

Расчет водяного теплового аккумулятора систем отопления

Запись дневника создана пользователем Андрей-АА, 14.11.14
Просмотров: 101.619, Комментариев: 31

Привожу свои расчеты теплового аккумулятора и рекомендации, которые состоят из четырех частей:
1. Формулы расчета запаса энергии теплового аккумулятора.
2. Расчет мощности нагревателей и расхода энергии.
3. Расчет необходимого объема теплового аккумулятора.
4. Рекомендации при недостаточной мощности сети.

Исходная «формула» для расчета накопленной энергии:
Для нагрева 1 тонны воды на 1*С необходимо 1,16кВт*часа энергии. Значит для нагрева на 40*С — 46,4кВтчаса.
Надо учитывать, что дельта в 40*С это наиболее близкая к максимально- реальной дельте температур в тепловом аккумуляторе. Лучше конечно больше, но заметно больше получается редко, а меньше — не выгодно. Хотя, стремиться повысить эту дельту — надо.

Сначала — про единицы измерения теплопотерь.
Это — Ватты и киловатты.
Теплопотери это — потери энергии в единицу времени.
Т.е., кВт*часы в час (кВт* час / час ). Часы сокращаются, остаются киловатты.
Для этого расчета надо знать теплопотери дома в формате «кВт при дельте температур улица-дом». К примеру, по последнему СНиПу теплопотери должны быть не больше, чем 50 Вт/кв.метр отапливаемой площади дома при максимально холодной неделе (для Москвы — минус 28*С)). Т.е., если дом — 100кв.м., то по этому СНиПу его теплопотери при -28*С будут 5кВт.
Если Вы хотите отапливать такой дом, то при -28*С на улице Вам надо иметь в сутки 120кВтчасов энергии (5кВт*24часа).
Предположим, что накопление энергии в тепловом аккумуляторе будет идти 7 часов (это — обычно длительность ночного электротарифа). Тогда суммарная мощность нагревателей должна быть 17кВт (120кВтчасов/7часов). А накоплено в тепловом аккумуляторе за ночь будет 85кВтчасов (120кВтчасов минус 5кВт*7часов, которые потрачены на отопление ночью).
Т.е., Вам надо к утру иметь в тепловом аккумуляторе 85кВтчасов при дельте температур в тепловом аккумуляторе (нагрето-остыло) 40*С.
Примечание:
Вообще-то, дом должен быть теплым не в среднем за неделю, а в любую микросекунду, поэтому лично я взял бы для расчетов (при суточном цикле нагрева-остывания теплового аккумулятора) не «самую холодную неделю», а самую холодную ночь. В этом случае взятые выше -28*С окажутся завышенными. Я бы взял, например, -35*С (для Московии).

В тонне воды (см. «формулу» выше) при дельте 40*С содержится 46кВтчасов тепла. Это значит, что для накопления 85кВтчасов надо 1,8 тонны воды (85/46).
Все необходимые для Вас перерасчеты под свои условия здесь должны быть линейны, т.е. пропорциональны изменениям площади дома, дельтам температур и теплопотерям.
Для снижения объема теплового аккумулятора можно еще постараться максимизировать дельту температур в нём, сделав её выше 40*С. При отапливаемых полах это вполне реально.

4. Что делать если немного не хватает мощности сети?
1. Дополнительно утеплить дом.
2. В самые морозы закрыть и не отапливать некоторые комнаты.
3. Увеличить подводимую мощность сети (через поставщика э/энергии) и внутреннюю, при необходимости.
4. Включать нагрев теплового аккумулятора не только в ночное время, но (в самые морозы) и днем. А т. к. самые морозы бывают не часто, то и финансовые потери на дневной тариф будут небольшими.
5. Добавить в систему твердотопливный котел — как резервное отопление и как добавка в морозы. Считаю, что при электро-отоплении резервное отопление очень желательно в любом случае. Я для себя в этом вопросе разобрался: Стратегия твердотопливного круглогодичного отопления.
Ну, или заключить с энергетиками жестокий для них договор, чтобы почти никогда (надолго) не отключали э/э. Впрочем, тому кто это сможет сделать надо будет вручить орден «За заслуги перед Отечеством» (и это — не шутка, хоть и забавно звучит).
6. При работе на пределе электро-мощностей можно использовать реле приоритета (реле разгрузки), которые, при необходимости, на короткое время будут отключать мощные нагреватели (а лучше — только часть из них) для возможности использования других потребителей без превышения предельной мощности сети. Если эти «другие потребители» находятся внутри дома, то вся электроэнергия потраченная на них всё равно перейдет в тепло.

Как рассчитать теплоаккумулятор для твердотопливного котла и выполнить его обвязку

Использование аккумуляторов тепла для системы отопления позволяет оптимизировать сжигание твердых видов топлива в котлах. Простыми словами, при наличии буферной емкости – теплоаккумулятора домовладельцу не нужно часто посещать котельную, а дрова будут сгорать в оптимальном режиме. Но для этого емкость нужно правильно подобрать, а потом и состыковать с отопительным оборудованием, что обязательно вызовет затруднения у несведущего человека. Поэтому стоит подробно разобраться, что собой представляет теплоаккумулятор для твердотопливного котла, как его подобрать и подключить к отоплению частного дома.

Что такое буферная емкость

На самом деле теплоаккумулятор, предназначенный для системы отопления, — это обычный металлический бак расчетной вместительности, укрытый теплоизоляционным слоем. В простейших моделях заводского изготовления есть только патрубки для подключения теплоносителя, да гильзы под установку термометров. В буферных емкостях подороже термометры уже встроены, а самые дорогие изделия оснащаются теплообменниками в виде змеевиков. Устройство такого теплоаккумулятора показано на рисунке:

Как видно, конструкция буферной емкости не отличается особой сложностью, оттого разные мастера — умельцы приспособились ее делать своими руками, о чем рассказано в отдельной теме.

Назначение змеевиков – подогрев воды для обеспечения ГВС и присоединение альтернативных источников тепловой энергии – солнечных коллекторов. Понятно, что данная функция востребована лишь при благоприятных погодных условиях в регионе проживания. В целом же буферная емкость для котла отопления призвана решать такие задачи:

1. Создание условий для работы ТТ-котла с максимальным КПД и минимальными выбросами в атмосферу.
2. Комфортная эксплуатация теплогенератора, когда не нужно подбрасывать дрова в топку каждые 4—6 часов, включая ночное время.
3. Подогрев и подача воды питьевого качества 1—2 потребителям (опция).

Большинство производителей отопительного оборудования, работающего на твердом топливе, в прилагающейся документации указывают, что крайне желательно выполнить подключение к ТТ-котлу теплоаккумулятора. Причина такова: агрегат достигает наибольшей эффективности при режиме работы, близком к максимальному. А поскольку излишек вырабатываемого тепла нужно куда-то поместить до подачи в систему отопления, понадобится буферная емкость с водой.

Не имея термоаккумулятора, мы стараемся всячески «придушить» тепловой агрегат, ограничивая подачу воздуха для горения. Мало того что это снижает его КПД до 40% (как у буржуйки), но и вызывает выброс в атмосферу токсичного угарного газа. Из-за этого часть европейских стран запретили сжигание древесины и угля в котлах отопления без буферной емкости.

С более редкими посещениями помещения топочной все понятно: накопленное в баке тепло еще долгое время будет расходоваться на обогрев дома при условии, что его объем правильно рассчитан. Кроме того, при совместной работе твердотопливного котла в паре с теплоаккумулятором вероятность перегрева и закипания воды в рубашке агрегата сводится практически к нулю.

Помимо взаимодействия с дровяными теплогенераторами, можно использовать теплоаккумуляторы и с электрическими котлами. Это имеет смысл, когда ночью потребляемая электроэнергия считается по тарифу, что в 2—3 раза ниже обычного. За промежуток времени, пока действует этот тариф, электроустановка сможет полностью «зарядить» тепловой аккумулятор, а он станет отдавать эту энергию на обогрев дома в течение дня.

При таком варианте результаты предыдущего расчета мощности электрического котла придется удвоить, чтобы его теплоотдачи хватило на обогрев дома и загрузку бака по ночному тарифу.

Расчет буферной емкости

Основной критерий, по которому выбирается буферная емкость для твердотопливного котла, — это ее объем, определяемый расчетом. Его величина зависит от таких факторов:

• тепловая нагрузка на отопительную систему частного дома;
• мощность котла отопления;
• предполагаемая длительность работы без помощи источника тепла.

Перед тем как рассчитать вместительность теплоаккумулятора, нужно прояснить все перечисленные моменты, начиная со средней тепловой мощности, что потребляет система в течение зимнего периода. Максимальную мощность принимать для расчета не следует, это приведет к увеличению размеров бака, а значит, и к повышению стоимости изделия. Лучше несколько дней в году претерпеть неудобства и загружать топку чаще, нежели платить сумасшедшую цену за большой теплоаккумулятор, который будет использоваться нерационально. Да и места он займет слишком много.

Мнение эксперта. Для обеспечения тепловой энергией дома площадью 200 м² достаточно буферной емкости, вмещающей 1 т теплоносителя, а это объем 1 м³. Утверждение верно для средней полосы Российской Федерации, в более южных или северных регионах расклад будет другим.

Невозможна нормальная работа системы отопления с теплоаккумулятором, когда источник тепла имеет малый запас по мощности. В этом случае «зарядить» батарею полностью не удастся никогда, поскольку теплогенератор должен одновременно обогревать дом и загружать емкость. Помните, что подбор твердотопливного котла для обвязки с теплоаккумулятором предполагает двукратный запас по тепловой мощности.

Алгоритм расчета предлагается изучить на примере дома площадью 200 м² при длительности простоя котла 8 часов. Предполагается, что вода в баке нагреется до 90 °С, а в процессе работы отопления остынет до 40 °С. Для обогрева такой площади в наиболее холодное время понадобится 20 кВт теплоты, а среднее ее потребление составит около 10 кВт/ч. Значит, батарея должна накопить 10 кВт/ч х 8 ч = 80 кВт энергии. Дальше расчет объема теплоаккумулятора для твердотопливного котла ведется через формулу теплоемкости воды:

m = Q / 1.163 х Δt, где:

• Q – расчетное количество тепловой энергии, которое надо накопить, Вт;
• m – масса воды в резервуаре, кг;
• Δt – разница между начальной и конечной температурами теплоносителя в баке, равна 90 – 40 = 50 °С;
• 163 Вт/кг °С или 4.187 кДж/ кг °С – удельная теплоемкость воды.

Для рассматриваемого примера масса воды в теплоаккумуляторе составит:

m = 80000 / 1.163 х 50 = 1375 кг или 1.4 м³.

Как видите, в результате вычислений размеры буферной емкости выходят больше, чем рекомендует эксперт. Причина проста: для расчета были взяты неточные исходные данные. На практике, особенно когда дом хорошо утеплен, средний расход теплоты на площадь 200 м² будет меньше, чем 10 кВт/ч. Отсюда вывод: чтобы правильно рассчитать размеры теплоаккумулятора для твердотопливного котла, необходимо использовать более точные исходные данные по потреблению тепла.

Для справки. Существует и укрупненный способ расчета, согласно которому на каждый кВт тепловой мощности котла приходится 25 л объема теплоаккумулятора.

Подбор теплоаккумулятора

Остальные критерии выбора емкости не столь важны и в основном касаются разных опций. Одна из них – встроенный змеевик, нагревающий воду для хозяйственных нужд. Может оказаться полезной, если нет других средств подогрева, но для больших расходов в сети ГВС этот способ точно не подойдет. Кроме того, теплообменник отнимет часть «заряда» теплоаккумулятора, уменьшив время автономной работы отопления.

Полезная опция – встроенный в верхнюю часть бака ТЭН, способный поддерживать температуру теплоносителя на определенном уровне. Благодаря электрическому подогреву система не разморозится в случае аварии и даже сможет обогревать дом какое-то время после того, как аккумулятор «разрядился», а котел еще не запущен.

Второй змеевик для подключения гелиосистемы полезен лишь в южных регионах, где солнечная активность позволит загрузить теплоаккумулятор. А вот на что стоит обратить внимание при подборе, так это рабочее давление резервуара. Надо учитывать, что большинство твердотопливных котлов рассчитано на давление в рубашке до 3 Бар, значит, и буферная емкость должна спокойно выдерживать столько же.

Схемы подключения

Способов обвязки котла твердотопливного с теплоаккумулятором и системой отопления существует немало. Но все они производные от базовой схемы, изображенной ниже. С ее помощью легко разобраться, как эти агрегаты работают в паре, а после все смонтировать своими руками.

Источник тепла, работающий на твердом топливе, имеет традиционный котловой контур со смесительным узлом, чья задача – не допустить подачу холодного теплоносителя в котел. Затем подающий и обратный трубопроводы подключены к буферной емкости, соответственно, сверху и снизу. Таким же образом к теплоаккумулятору присоединяется система отопления, тоже оснащенная узлом смешивания. Его цель – поддерживать в системе требуемую температуру воды, подмешивая часть горячего теплоносителя при необходимости.

Важный момент. Фактическая производительность циркуляционного насоса котлового контура должна быть немного выше, чем у насосного агрегата отопительной сети. Соблюдение этого условия позволит потокам внутри теплоаккумулятора двигаться в правильном направлении (показаны на схеме белыми стрелками).

На самом деле сетевой насос будет мощнее котлового и вот почему. Сопротивление сети трубопроводов и радиаторов выше, нежели 3—5 м трубы от твердотопливного котла до теплоаккумулятора. Более высокая мощность и напор нужны агрегату, чтобы преодолеть это сопротивление. Поэтому более слабый насос котлового контура сможет обеспечить больший расход, надо только верно настроить оба агрегата. Есть 2 варианта решения вопроса:

1. При использовании 3-скоростных насосов можно настроить их производительность переключением скоростей.
2. Поставить на входе обратки из системы в буферную емкость балансировочный вентиль, которым и производить регулировку.

Одновременный прогрев отопительных приборов и послойная загрузка теплоаккумулятора возможна, когда потоки внутри бака движутся по горизонтали с небольшим преобладанием со стороны твердотопливного котла. Возникает вопрос – как это проверить? Возникает ответ: на обеих вводах обратки в бак надо поставить термометры (как на схеме) и выполнять регулировку, переключая скорости насосов или вращая балансировочный вентиль. Важное условие: трехходовой клапан отопительной сети нужно полностью открыть вручную.

Регулировкой необходимо добиться, чтобы температура на входе в теплоаккумулятор (Т1) была меньше, чем на его выходе (Т2). Это означает, что часть горячей воды идет на «зарядку» батареи. Подробнее обо всех моментах вы сможете узнать от эксперта, просмотрев видео:

Альтернативная схема

Данная схема обвязки буферной емкости и твердотопливного котла предложена одним из участников популярного форума. Ее особенность состоит в том, что при отключении электроэнергии работоспособность схемы сохраняется, хотя за это приходится расплачиваться увеличенными диаметрами стальных труб. Ниже на рисунке изображено подключение теплоаккумулятора к закрытой системе отопления, но при монтаже ее лучше сделать открытой, о чем говорит и сам автор.

Вкратце суть такова: благодаря Т-образному вводу сверху бака происходит одновременный нагрев радиаторов и «зарядка» термоаккумулятора, сделанного своими руками. Насосом котлового контура управляет накладной датчик на подающей магистрали, включая агрегат по достижении в нем температуры 60 °С. Циркуляция в сети зависит от комнатного термостата, с которым связан сетевой насос.

Примечание. Предложенная схема обвязки проверена ее создателем на собственном опыте. Все подробности ее монтажа и эксплуатации описаны автором на форуме

Заключение

Нельзя отрицать тот факт, что теплоаккумулятор улучшает условия эксплуатации обычного твердотопливного котла. Последний сжигает топливо с максимальным КПД, а после прогрева число походов в котельную сокращается до минимума. Другое дело, что данное удовольствие – не из дешевых, из-за чего львиная доля работающих в частных домах аккумуляторов – самодельные.