Накопитель для отопления: виды теплоаккумуляторов для отопления, особенности, цена — Электромобиль для Элона Маска

Теплоаккумулятор для котлов отопления — назначение, расчет и монтаж

Отсутствие возможности использовать в качестве источника энергии для обогрева жилья относительно недорогой природный газ вынуждает хозяев домов искать другие приемлемые решения. Так, в регионах, где нет особых проблем с заготовкой или приобретением дров, на помощь приходят твёрдотопливные котлы. Случается и так, что единственной альтернативой становится электрическая энергия. Кроме того, все активнее используются новые технологии, позволяющие направлять на нужды отопления энергию солнечного излучения.

Теплоаккумулятор для котлов отопленияТеплоаккумулятор для котлов отопления

Все эти подходы не лишены существенных недостатков. Так, к ним можно отнести неравномерность, выраженную периодичность поступления тепловой энергии. В случае с электрическим котлом основным негативным фактором будет высокая стоимость потребленной энергии. Очевидно, что существенно поднять экономичность системы отопления, улучшить эффективность, равномерность ее работы, максимально упростить эксплуатационные операции помогло бы включение в общую схему специального прибора, который стал бы накапливать невостребованную в текущий момент тепловую энергию и отдавать ее по мере необходимости. Именно такую функцию выполняет теплоаккумулятор для котлов отопления.

Содержание

Основное предназначение теплоаккумулятора системы отопления

  • Простейшая система отопления с твердотопливным котлом обладает выраженной цикличностью работы. После загрузки дров и их розжига, котел постепенно выходит на максимальную мощность, активно передавая тепловую энергию в контуры отопления. Но по мере прогорания загрузки теплоотдача начинает постепенно снижаться, и теплоноситель, разносимый по радиаторам, остывает.

Работа обычного твердотопливного котла характеризуется выраженным чередованием пиков и "провалов" в выработке тепловой энергииРабота обычного твердотопливного котла характеризуется выраженным чередованием пиков и «провалов» в выработке тепловой энергии

Получается, что в период пиковой выработки тепла оно может остаться невостребованным, так как настроенная, оснащенная термостатическим регулированием система отопления лишнего не возьмет. Но в период догорания топлива и, тем более, простоя котла тепловой энергии будет явно недоставать. В итоге часть топливного потенциала расходуется просто впустую, но при этом хозяевам приходится достаточно часто заниматься загрузкой дров.

В определенной степени остроту этой проблемы можно снизить установкой котла длительного горения, но полностью снять – не получается. Несовпадение пиков выработки тепла и его потребления может оставаться достаточно существенным.

  • В случае с электрокотлом на первый план выступает высокая стоимость потребляемой энергии, что заставляет хозяев задуматься о максимальном использовании оборудования в периоды действия льготных ночных тарифов и минимизации потребления в дневные часы.

2016-03-04_142901Выгоды использования дифференцированной тарификации электроэнергии

При грамотном подходе к потреблению электроэнергии льготные тарифы могут принести весьма ощутимую экономию средств. Об этом подробно рассказано в специальной публикации портала, посвященной двухтарифным электросчетчикам.

Напрашивается очевидное решение – накапливать тепловую энергию ночью, чтобы достичь минимального потребления ее днем.

  • Еще ярче выражена периодичность выработки тепловой энергии в случае использования солнечных коллекторов. Здесь прослеживается зависимость не только от времени суток (ночью поступление вообще нулевое).

Работа солнечного коллектора очень зависима и от времени суток, и от погодыРабота солнечного коллектора очень зависима и от времени суток, и от погоды

Не поддаются никакому сравнению пики нагрева в яркий солнечный день или в пасмурную погоду. Понятно, что напрямую ставить свою систему отопления в зависимость от текущих «капризов» природы – никак нельзя, но и пренебрегать столь мощным дополнительным источником энергии также не хочется. Очевидно, что требуется какое-то буферное устройство.

Эти три примера, при всей их разноплановости, объединяет одно общее обстоятельство – явное несовпадения пиков выработки тепловой энергии с рациональным равномерным ее использованием на нужды отопления. Для устранения этого дисбаланса и служит специальный прибор, называемый теплоаккумулятором (тепловым накопителем, буферной емкостью).

Цены на теплоаккумуляторы Hajdu

теплоаккумулятор Hajdu

Принцип его действия основан на высокой теплоемкости воды. Если значительный ее объем в период пикового поступления тепловой энергии разогреть до необходимого уровня, то в течение определенного периода можно для нужд отопления использовать этот накопленный энергетический потенциал. Для примера, если сравнивать теплофизические показатели, то всего один литр воды при остывании на 1°С способен разогреть кубометр воздуха на целых 4 °С.

Тепловой аккумулятор всегда представляет собой объемный резервуар с эффективной внешней термоизоляцией, подключенный к контуру (контурам) источника тепла и контурам отопления. Простейшую схему лучше рассмотреть на примере:

Наглядная демонстрация принципа работы простейшего теплового аккумулятораНаглядная демонстрация принципа работы простейшего теплового аккумулятора

Самый простой по конструкции теплоаккумулятор (ТА) – это вертикально расположенный объемный бак, в который с двух противоположный сторон врезаны четыре патрубка. С одной стороны он подключён к контуру твердотопливного котла (КТТ), а  с другой – к разведенному по дому контуру отопления.

После загрузки и розжига котла циркуляционный насос (Nк) этого контура начинает прокачивать теплоноситель (воду) через теплообменник. Из нижней части ТА в котел поступает остывшая вода, а в верхнюю прибывает разогретая в котле. Из-за существенной разницы плотности остывшей и горячей воды ее активного перемешивания в баке не будет – в процессе горения топливной закладки будет происходить постепенное заполнение ТА горячим теплоносителем. В итоге, при правильном расчете параметров, после полного прогорания заложенного горючего, емкость будет заполнена горячей водой, разогретой до расчетного уровня. Вся потенциальная энергия топлива (за вычетом, конечно, неизбежных потерь, отраженных в КПД котла), преобразована в тепловую, которая накоплена в ТА. Качественная термоизоляций позволяет сохранять температуру в баке в течение многих часов, а иногда даже – и дней.

Вторая стадия – котел не работает, но функционирует система отопления. С помощью собственного циркуляционного насоса контура отопления происходит прокачка теплоносителя по трубам и радиаторам. Забор производится сверху, из «горячей» зоны. Интенсивного самостоятельного перемешивания опять же не наблюдается – по уже упомянутой причине, и в трубу подачи поступает горячая вода, снизу возвращается охлажденная, и бак постепенно отдает свой нагрев в направлении снизу вверх.

На практике, в процессе топки котла отбор теплоносителя в систему отопления, как правило, не прекращается, и ТА будет накапливать лишь избыточную энергию, которая в текущий момент остается невостребованной. Но при правильном расчете параметров буферной емкости, ни один киловатт тепловой энергии не должен пропасть даром, и к концу цикла топки котла ТА должен быть в максимальной мере «заряжен».

Понятно, что цикличность работы подобной системы с установленным электрическим котлом будет завязана на льготные ночные тарифы. Таймер блока управления включит и выключит питание в установленный срок вечером и утром, а в течение дня контуры отопления будут питаться только (или преимущественно) из теплоаккумулятора.

Конструктивные особенности и основные схемы подключения различных теплоаккумуляторов

Итак, теплоаккумулятор всегда представляет собой объемный резервуар вертикального цилиндрического исполнения, имеющий высокоэффективную термоизоляцию и снабженный патрубками для подключения контуров генерации тепла и его потребления. А вот внутренняя конструкция может различаться. Рассмотрим основные типы существующих моделей.

Основные типы конструкций теплоаккумуляторов

Теплоаккумулятор с прямым подключением контуров выработки и потребления тепловой энергииТеплоаккумулятор с прямым подключением контуров выработки и потребления тепловой энергии

1 – Самый простой тип конструкции ТА. Подразумевается прямое подключение и источников тепла, и контуров потребления. Такие буферные емкости используются в следующих случаях:

  • Если в котле и во всех контурах отопления применяется одинаковый теплоноситель.
  • Если максимально допустимое давление теплоносителя в контурах отопления не превышает аналогичный показатель котла и самого ГА.

В том случае, когда требование выполнить невозможно, подключение контуров отопления может производиться через дополнительные внешние теплообменники

  • Если температуры в трубе подачи на выходе их котла не превышает допустимой температуры в контурах отопления.

Впрочем, это требование также может быть обойдено при установке на контуры, требующие более низкого температурного напора, смесительных узлов с трёхходовыми кранами.

Теплоаккумулятор со встроенным теплообменникомТеплоаккумулятор со встроенным теплообменником

2 – Теплоаккумулятор снабжен внутренним теплообменником, расположенным в нижней части емкости. Теплообменник обычно представляет собой спираль, свитую из стальной нержавеющей трубы, обычной или гофрированной. Таких теплообменников может быть несколько.

Подобный тип ТА применяется в следующих случаях:

  • Если показатели давления и достигаемой температуры теплоносителя в контуре источника тепла существенно превосходят допустимые значения для контуров потребления и для самой буферной емкости.
  • Если есть необходимость подключения нескольких источников тепла (по бивалентному принципу). Например, на помощь котлу приходят гелиосистема (солнечный коллектор) или геотермальный тепловой насос. При этом чем меньше температурный напор источника тепла, тем ниже должен в ТА размещаться его теплообменник.
  • Если в контурах источника тепла и потребления используется различный тип теплоносителя.

В отличие от первый схемы, такому ТА свойственно активное перемешивание теплоносителя в емкости – нагрев происходит в нижней ее части, и менее плотная горячая вода стремится вверх.

На схеме по центру ГА показан магниевый анод. За счет более низкого электропотенциала он «оттягивает» на себя ионы тяжелых солей, не допуская зарастания накипью внутренних стенок бака. Подлежит периодической замене.

Теплоаккумулятор со встроенным проточным теплообменником горячего водоснабженияТеплоаккумулятор со встроенным проточным теплообменником горячего водоснабжения

3 – Теплоаккумулятор дополнен проточным контуром горячего водоснабжения. Вход холодной воды осуществляется снизу, подача до точки горячего водоразбора, соответственно, снизу. Большая часть теплообменника расположена в верхней части ТА.

Такая схема считается оптимальной для условий, когда потребление горячей воды отличается достаточной стабильностью и равномерностью, без выраженных пиковых нагрузок. Естественно, теплообменник должен быть исполнен из металла, отвечающего нормам пищевого водопотребления.

В остальном же схема схода с первой, с прямым подключением контуров генерации тепла и его потребления.

Теплоаккумулятор со встроенным баком горячего водоснабженияТеплоаккумулятор со встроенным баком горячего водоснабжения

4 – Внутри теплоаккумулятора размещен бак для создания запаса горячей воды для бытового потребления. По сути, такая схема напоминает встроенный бойлер косвенного нагрева.

Применение подобной конструкции в полной мере оправдано в случаях, когда пик выработки тепловой энергии котлом не совпадает с пиком потребления горячей воды. Иными словами, когда сложившийся в доме бытовой уклад предполагает массовое, но довольно непродолжительное расходование горячей воды.

Все перечисленные схемы могут варьироваться в различных комбинациях – выбор конкретной модели зависит от сложности создаваемой системы отопления, количества и типа источников тела и контуров потребления. Обратите внимание, в большинстве теплоаккумуляторов предусмотрено множество выходных патрубков, разнесенных по вертикали.

Разнесенные по вертикали патрубки подключения контуров позволяют оптимально использовать образующийся в теплоаккумуляторе температурный градиентРазнесенные по вертикали патрубки подключения контуров позволяют оптимально использовать образующийся в теплоаккумуляторе температурный градиент

Дело в том, что при любой схеме внутри буферной емкости так или иначе образуется температурный градиент (разница в температурном напоре по высоте). Появляется возможность подключения контуров системы отопления, требующих различных температурных режимов. Это существенно облегчает окончательное термостатическое регулирование теплообменных приборов (радиаторов или «теплых полов»), с минимальными ненужными потерями энергии и снижением нагрузки на регулирующие устройства.

Типовые схемы подключения теплоаккумуляторов

Теперь можно рассмотреть основные схемы установки теплоаккумуляторов в систему отопления.

ИллюстрацияКраткое описание схемы
схема 1Температурный режим и давление одинаковы в котле и в контурах отопления.
Требования к теплоносителю совпадают.
На выходе из котла и в ТА поддерживается постоянная температура.
На приборах теплообмена регулировка ограничивается только количественным изменением проходящего через них теплоносителя.
схема 2Подключение в самому теплоаккумулятору, в принципе, повторяет первую схему, но регулировка режимов работы теплообменных приборов осуществляется по качественном принципу – с изменением температуры теплоносителя.
Для этого в схему включены термостатические узлы смешения, например, трехходовые клапаны.
Такая схема позволяет наиболее рационально использовать накопленный теплоаккумулятором потенциал, то есть его «заряда» хватит на более продолжительное время.
схема 3Такая схема, с циркуляцией теплоносителя в малом контуре котла через встроенный теплообменник, применяется, когда давление в этом контуре превышает допустимое в приборах отопления или в самой буферной емкости.
Второй вариант – в котле и в контурах отопления применены разные теплоносители.
схема 4Исходные условия аналогичны схеме №3, но применен внешний теплообменник.
Возможные причины такого подхода:
— площади теплообмена встроенного «змеевика» недостаточно для поддержания требуемой температуры в телоаккумуляторе.
– ранее уже был приобретён ТА без внутреннего теплобменника, а модернизация системы отопления потребовала именно такого подхода.
схема 5Схема с организацией проточного обеспечения горячей водой через встроенный спиралевидный теплообменник.
Рассчитана на равномерное потребление горячей воды, без пиковых нагрузок.
схема 6Такая схема, с использованием теплоаккумулятора со встроенным баком, рассчитана на пиковое потребление горячей воды, но не отличающееся высокой положительностью.
После расходования созданного запаса и, соответственно, заполнения ёмкости холодной водой, нагрев до требуемой температуры может занять достаточно много времени.
схема 7Бивалентная схема, позволяющая задействовать в системе отопления дополнительный источник тепловой энергии.
В данном случае упрощенно показан вариант с подключением солнечного коллектора.
Этот контур подключается к теплообменнику в нижней части теплоаккумулятора.
Обычно подобная система рассчитывается таким образом, что основным источником является именно солнечный коллектор, а котел включается по мере необходимости, для догрева, при недостаточности энергии от основного.
Солнечный коллектор, конечно, не догма – на его месте может быть и второй котел.
схема 8Схема, которую можно назвать мультивалентной.
В данном случае показано применение трех источников тепловой энергии. В роли высокотемпературного выступает котел, который, опять же, может играть лишь вспомогательную роль в общей схеме нагрева.
Солнечный коллектор – по аналогии с предыдущей схемой.
Кроме того, используется еще один низкотемпературный источник, который, вместе с тем отличается стабильностью и независимостью от погоды и времени суток – геотермальный тепловой насос.
Чем меньше температурный напор из подключенного источника энергии, тем ниже место его подключения к теплоаккумулятору.

Безусловно, схемы даны в очень упрощенном виде. А на деле подключение теплоаккумулятора в сложные, разветвленные системы, с различными контурами отопления, да еще и получающие нагрев от источников различной мощности и температуры, требуют высокопрофессионального проектирования с инженерными теплотехническими расчетами, с применением множества дополнительных регулировочных устройств.

Один из примеров – показан на рисунке:

Пример системы с несколькими источниками тепла и различными контурами отопления и ГВСПример системы с несколькими источниками тепла и различными контурами отопления и ГВС

1 – твёрдотопливный котёл.

2 – электрический котел, включающийся лишь по мере необходимости и только в период действия льготного тарифа.

3 – специальный блок подмешивания в контуре высокотемпературного котла.

4 – гелио-станция, солнечный коллектор, который в погожие дни может выполнять роль основного источника тепловой энергии.

5 – теплоаккумулятор, к которому сходятся все контуры генерации тепла и его потребления.

6 – высокотемпературный контур отопления с радиаторами, с регулировкой режимов по количественному принципу – только и использованием запорной арматуры.

7 – низкотемпературный контур отопления – «теплый пол», в котором обязательно предусматривается качественное регулирование температуры нагрева теплоносителя.

8 – проточный контур горячего водоснабжения, снабженный собственным смесительным узлом для качественного регулирования температуры бытовой горячей воды.

Кроме всего перечисленного, в теплоаккумулятор могут быть встроены собственные электрические нагреватели – ТЭНы. Иногда бывает выгодно поддерживать с их помощью заданную температуру, не прибегая, например, лишний раз к неплановой растопке твердотопливного котла.

Дополнительный ТЭН, оснащенный собственной термостатической системойДополнительный ТЭН, оснащенный собственной термостатической системой

Специальные дополнительные ТЭНы можно приобрести отдельно – их монтажная резьба обычно адаптирована к гнездам подключения, имеющимся на многих моделях тепловых аккумуляторов. Естественно, подключение электричество подогрева потребует установки дополнительного термостатического блока, который обеспечит включение ТЭНов только при падении температуры в ТА ниже установленного пользователем уровня. Некоторые нагреватели уже оснащены встроенным  терморегулятором подобного типа.

Цены на теплоаккумуляторы S-Tank

Теплоаккумулятор S-Tank

Видео: Рекомендации специалиста по созданию системы отопления с твердотопливным котлом и теплоаккумулятором

Что необходимо учитывать при выборе теплоаккумулятора

Безусловно, подбор теплоаккумулятора рекомендуется проводить еще на стадии проектирования системы отопления дома, руководствуясь расчетными данными специалистов. Тем не менее, обстоятельства бывают разными, и знать основные критерии оценки такого прибора – все же нужно.

  • На первом месте всегда будет стоять вместительность этой буферной емкости. Эта величина рассчитывается в соответствии с параметрами создаваемой системы, мощностью котла, необходимого количества энергии для нужд отопления, горячего водоснабжения. Одним словом, ёмкость должна быть таковой, чтобы обеспечить накопление всего избыточного на данный момент тепла, не допуская его потерь. О некоторых правилах расчета емкости будет рассказано ниже.
  • От емкости, естественно, напрямую зависят габариты изделия и его масса. Эти параметры также являются определяющими – далеко не всегда и не везде получается разместить в выделенном помещении теплоаккумулятор необходимого объема, так что вопрос должен продумываться заранее. Случается, что баки большого объёма (свыше 500 литров) не проходят в стандартные дверные проемы (800 мм). При оценке массы ТА она должна учитываться вместе во всем объемом воды полностью заполненного прибора.
  • Следующий параметр – максимально допустимое давление в создаваемой или уже функционирующей системе отопления. Аналогичный показатель ТА должен быть, во всяком случае, не ниже. Это будет зависеть от толщины стенок, типа материала изготовления, и даже формы емкости. Так, в буферных емкостях, рассчитанных на давление свыше 4 атмосфер (бар) обычно верхняя и нижняя крышки имеют сферическую (тороидальную) конфигурацию.

Теплоаккумулятор из нержавеющей стали, с крышками тороидальной формы, заключенный в термоизоляционный кожух.Теплоаккумулятор из нержавеющей стали, с крышками тороидальной формы, заключенный в термоизоляционный кожух.

  • Материал изготовления емкости. Баки из углеродистой стали, с антикоррозийным покрытием стоят дешевле. Емкости из нержавейки, безусловно, дороже, но и гарантийный срок их эксплуатации тоже значительно выше.
  • Наличие дополнительных встроенных теплообменников для контуров отопления или горячего водоснабжения. Об их предназначении уже упоминалось выше – выбираются модели в зависимости от общей сложности системы отопления.
  • Наличие дополнительных опций – возможности встраивания ТЭНов, установки контрольно-измерительных приборов, устройств обеспечения безопасности – предохранительных клапанов, воздухоотводчиков и т.п.
  • Обязательно оценивается толщина и качество внешней термоизоляции корпуса ТА, чтобы не пришлось заниматься этим вопросом самостоятельно. Чем лучше изолирован бак, тем естественно, дольше будет в нем храниться «тепловой заряд».

Особенности монтажа тепловых аккумуляторов

Установка теплового аккумулятора подразумевает соблюдение определенных правил:

  • Все подключаемые контуры должны подсоединяться резьбовыми муфтами или фланцами. Сварных соединений не допускается.
  • Подключаемые трубы не должны оказывать на патрубки ТА никакой статической нагрузки.
  • Рекомендуется на всех подключаемых к ТА трубах установить запорную арматуру.
  • На всех используемых входах и выходах устанавливаются приборы визуального контроля температуры (термометры).
  • В нижней точке ТА или на трубе в непосредственной близости от него должен стоять дренажный вентиль.
  • На всех трубах входа в теплоаккумулятор устанавливаются фильтры механической очистки воды – «грязевики».
  • Во многих моделях сверху предусмотрен патрубок для подсоединения автоматического воздухоотводчика. Если такового нет, то воздухоотводчик обязательно устанавливается на самом верхнем выходном патрубке.
  • В непосредственной близости от теплоаккумулятора предусматривается установка манометра и предохранительного клапана.
  • Вносить какие бы то ни было самостоятельные изменения в конструкцию теплоаккумулятора, не оговоренные производителем – категорически запрещается.
  • Установка ТА должна проводиться только в отапливаемом помещении, исключающем вероятность замерзания жидкости.
  • Заполненный водой резервуар может иметь весьма значительную массу. Площадка род него должна быть способна выдержать столь высокую нагрузку. Нередко для этих целей приходится подливать специальный фундамент.
  • Как бы ни устанавливался теплоаккумулятор, при этом должен обеспечиваться свободный поход к ревизионному люку.

Проведение простейших расчетов параметров теплоаккумулятора

Как уже упоминалось выше, всесторонний расчет системы отопления с несколькими контурами выработки и потребления тепловой энергии – это задача, посильная только специалистам, так как приходится учитывать очень много разносторонних факторов. Но определённые вычисления можно провести и собственными силами.

Например, в доме установлен твердотопливный котел. Известна его мощность, вырабатываемая при полной топливной загрузке. Экспериментальным путем определено время сгорания полной закладки дров. Планируется приобретение теплоаккумулятора, и необходимо определить, какой объем потребуется, чтобы гарантированно полезно использовать все выработанное котлом тепло.

За основу возьмем известную формулу:

W = m × с × Δt

W — количество тепла необходимое, чтобы нагреть массу жидкости (m) с известной теплоемкостью (с) на определенное количество градусов (Δt).

Отсюда несложно вычислить массу:

m = W / (с × Δt)

Не помешает принять в расчет КПД котла (k), так как потери энергии так или иначе неизбежны.

W = k × m × с × Δt, или

m = W / (k × с × Δt)

Теперь разбираемся с каждым из значений:

  • m – искомая масса воды, из которой, зная плотность, несложно будет определить и объем. Не будет большой ошибкой посчитать из расчета 1000 кг = 1 м³.
  • W – избыточное количество тепла, вырабатываемое в период топки котла.

Его можно определить, как разницу значений энергии, выработанной за время сгорания топливной закладки и затраченной в тот же период на отопление дома.

Максимальная мощность котла обычно известна – это паспортная величина, рассчитанная на оптимальные воды твёрдого топлива. Она показывает количество тепловой энергии вырабатываемой котлом в единицу времени, например, 20 кВт.

Любой хозяин всегда довольно точно знает, в течение какого времени у него прогорает топливная закладка. Допустим, это будет 2,5 часа.

Далее, необходимо знать, какое количество энергии в это время может быть израсходовано на отопление дома. Одним словом, необходимо значение потребности конкретного здания в тепловой энергии для обеспечения комфортных условий проживания.

Такой расчет, если значение необходимой мощности неизвестно, можно произвести самостоятельно – для этого есть удобный алгоритм, приведенный в специальной публикации нашего портала.

2016-03-05_182628Как самостоятельно провести тепловой расчет для собственного дома?

Информация о количестве необходимой тепловой энергии для отопления дома бывает достаточно часто востребована – при выборе оборудования, расстановке радиаторов, при проведении утеплительных работ. С алгоритмом расчета, включающим удобный калькулятор, читатель может познакомится, открыв по ссылке публикацию, посвященную требованиям к установке газовых котлов.

Например, для отопления дома требуется 8,5 кВт энергии в час. Значит, за 2,5 часа сгорания топливной закладки будет получено:

20 × 2,5 = 50 кВт

За этот же период будет потрачено:

8,5 × 2,5 = 21,5 кВт

Избыточное тепло, которое необходимо сохранить в теплоаккумуляторе:

W = 50 – 21,5 = 28,5 кВт

  • k – КПД котельной установки. Обычно указывается в паспорте изделия в процентах (например, 80%) или десятичной дробью (0,8).
  • с – теплоемкость воды. Это – табличная величина, которая равна 4,19 кДж/кг×°С или 1,164 Вт×ч/кг×°С или 1,16 кВт/м³×°С.
  • Δt – разница температур, на которую необходимо подогреть воду. Ее можно определить для своей системы опытным путем, промерив значения на трубе подачи и обратки при работе системы на максимальной мощности.

Допустим, что это значение равно

Δt = 85 – 60 = 35 °С

Итак, все значения известны, и осталось лишь подставить их в формулу:

m = 28500 / (0,8 × 1,164 × 35) = 874,45 кг.

Таким образом, чтобы полностью сохранить все выработанное котлом тепло при его работе на полной мощности потребуется 875 кг воды, то есть емкость примерно в 0,875 м³.

Такой же подход можно применить и в случае, если рассчитывается объем теплоаккумулятора, подключённого к электрическому котлу. Единственная разница – для расчета принимается не время топки, а временной интервал льготного тарифа, например, с 23.00 до 6.00 = 7 часов. Чтобы «унифицировать» эту величину, ее можно назвать, например, «период активности котла».

Чтобы упростить читателю задачу, ниже размещен специальный калькулятор, который позволит быстро рассчитать рекомендуемый объем теплового аккумулятора для имеющегося (планируемого к установке) котла.

Калькулятор расчета необходимого объема теплоаккумулятора

Перейти к расчётам

Полученное значение округляется в большую сторону и становится ориентиром при подборе оптимальной модели теплоаккумулятора. Они в специальных магазинах представлены в различном объемном исполнении.

Достоинства и недостатки включения в систему отопления теплоаккумулятора

Итак, подводя итоги публикации, вкратце сформулируем «плюсы» и «минусы» применения теплоаккумуляторов.

К достоинствам можно смело отнести следующее:

  • Достигается экономия энергоресурсов, особенно в приложении к твёрдому топливу – выработанное тепло используется в максимальной мере. Возрастает КПД котла и всей системы отопления в целом.
  • Котлы и другие элементы системы отопления получают надежную защиту от перегрева.
  • Сводится до возможного минимума необходимость вмешательства в работу системы, сокращается количество загрузок твёрдого топлива.
  • Вся система работает более плавно и легко поддается контролю и точным регулировкам. Обеспечивается стабильный установленный нагрев во всех помещениях дома.
  • Появляется возможность подключения альтернативных источников энергии. При грамотном подходе это дает нешуточную экономию денежных средств. Например, в дневное время основная нагрузка ложится на гелио-станцию, ночью, пока действует льготный тариф, «эстафету» перехватывает тепловой насос, а возможную недостачу компенсирует компактный газовый котел.
  • Установкой теплового аккумулятора одновременно можно решить и проблему горячего водоснабжения своего жилья.

Недостатков немного, но о них тоже следует упомянуть:

  • Установка будет иметь какой-то смысл, если мощность котла или иных источников тепла существенно, как минимум вдвое, превышает расчетные значения потребной тепловой энергии для отопления жилья.
  • Система с теплоаккумулятором всегда обладает очень высокой инерционностью, то есть от момента пуска д выхода в расчетный режим работы может пройти немало времени. Нет смысла применять ее в с системах отопления, где требуется быстрый нагрев помещений, например, в загородных домах, которые посещаются хозяевами зимой лишь время от времени.
  • Оборудование, как правило, очень громоздкое, что создает немало проблем при его транспортировке, разгрузке, заносе в помещения и монтаже. Так как обязательным условием является установка ТА в непосредственной близости к котлу, для котельной потребуется весьма немалая площадь.
  • Тепловые аккумуляторы относятся к категории дорогостоящих покупок – их цена вполне сопоставима, а нередко даже превосходит стоимость котлов. Правда, высока вероятность того, что затраты быстро окупятся экономией на энергоресурсах.

Правда, последний из перечисленных недостатков подвигает народных умельцев к разработке и монтажу собственных моделей теплоаккумуляторов.

2016-03-05_202332Сложно ли изготовить теплоаккумулятор самостоятельно?

Наверное, российскому самодеятельному мастеру – все по плечу! Для примера — технологические рекомендации по самостоятельному изготовлению теплового аккумулятора приведены в специальной публикации нашего портала.

Видео: преимущества системы отопления со встроенным теплоаккумулятором

Теплоаккумулятор для котлов отопления, принцип работы и расчет

Твердым топливом отапливают дома в регионах, где нет газопровода, а дрова и уголь обходятся дешевле затрат на электроэнергию. Но, возникает неудобство, которого лишены газовые и электрические котлы и заключено в необходимости постоянно находиться рядом с котлом и загружать очередную порцию топлива вручную. Чтобы делать это реже, котел нужно оборудовать теплоаккумулятором (далее ТА), который будет накапливать избыточное тепло и отдавать его когда дрова или уголь уже сгорели.

Что такое теплоаккумулятор и какую функцию он выполняет

При сильном горении происходит перегрев системы, при слабом она остывает. Сократить амплитуду и увеличить период колебаний можно за счет вместительного бака с теплоаккумулятором. Последний представляет собой теплообменник с большой емкостью, заполненой теплоностилем. Одна часть системы забирает излишки энергии с котла, вторая постепенно отдает тепло в отопительную систему, не давая температуре резко упасть. Весь это процесс происходит автоматически через змеевики под управлением трехходовых клапанов.

Другими словами. ТА позволит Вам загрузить полную топку дров и не переживать что вода в котле закипит. После догорания топлива система отопления еще некоторое время сможет работать за счет накопленного в емкости тепла.

Принцип действия

Теплоаккумулятор – это емкость, внутри которого циркулирует горячий жидкий теплоноситель. Температура поддерживается в нужном диапазоне благодаря дозированию энергии, передаваемой в контур. Разогретый бак отдает тепло в комнаты постепенно. В результате пропадает необходимость постоянно поддерживать горение в топке котла.

Видео обзор такой системы

Достоинства и недостатки отопления с теплоаккумулятором

Плюсами таких систем являются:

  1. Снижение затрат на энергоносители.
  2. Увеличение КПД отопительной системы.
  3. Отсутствие перегрева.
  4. Снижение количества (периодичности) загрузки твердого топлива в котел.
  5. Тонкая настройка температурного режима в помещениях.
  6. Возможность модернизации (совмещение с системой подачи горячей воды, использование альтернативных источников энергии вместо топлива).

При всех достоинствах отопительное оборудование такого типа имеет и недостатки:

  1. Мощность установленного котла позволяет отапливать площадь, вдвое больше, чем требуется (запас мощности).
  2. Система долго запускается из холодного состояния до вхождения в нормальный рабочий режим.
  3. Ввиду громоздкости оборудования и большого числа комплектующих усложняется транспортировка, размещение и монтаж.
  4. Сохраняется необходимость топливного склада в непосредственной близости от котельной.
  5. Стоимость оборудования и отсутствие быстрой окупаемости затрат, особенно при замене котла.

Последний недостаток успешно решается, если смонтировать теплоаккумулятор своими руками.

Типы отопительных систем с теплоаккумулятором и разным количеством змеевиков

Змеевик играет роль теплообменника, то есть жидкости различных систем не смешиваются между собой, а передача тепла происходит через стенки этой спирали. Изготавливается из меди или нержавеющей стали. Иногда используется черный металл что бы удешевить конструкцию.

Различают четыре основных типа систем:

Без змеевика. Вместо него может быть вмонтирован дополнительный бак меньшего диаметра, подключенный к малому контуру. Передача тепла происходит благодаря физическим свойствам, при котором она поднимается вверх, а холодный теплоноситель опускается в нижнюю часть емкости. Такая система является самой простой и работает только с одним потребителем, например системой отопления и одним источником. Это может быть как твердотопливный котел так и солнечный коллектор. Особенности – минимальная себестоимость, простота монтажа.

С одним змеевиком. Спираль находится внутри основного бака, по ней циркулирует теплоноситель от источника. Энергия передается в накопительную емкость откуда и циркулирует далее к потребителю. Особенности такой системы является не смешивание различных теплоносителей. Это может быть важно если они имеют различные химические составы.

Система может работать и в обратном порядке, через змеевик может бить запитана система отопления или ГВС. 

С двумя змеевиками. Дополнительный малый контур теплообменника запитан в систему, подключенную к альтернативному источнику энергии. Эта система позволяет использовать более широкий спект оборудования для нагрева теплоносителя.

С тремя спиралями. Предполагается, что в единый отопительный комплекс входит котел на твердом топливе и два альтернативных источника, например, солнечная и геотермальная батареи. Максимальная экономия твердого топлива. Котел может использоваться как дополнительный (резервный).

С дополнительным баком. Существуют системы, в которых включен еще один контур с теплообменником для того, чтобы горячая вода в кране появлялась сразу же после запуска котла, не дожидаясь выхода в оптимальный режим обогрева. Однако в таких системах, запас горячей води ограничен, по его истечению дальнейший прогрев будет проходить медленнее чем через змеевик.

Применение различных типов систем

Отопительные системы, в состав которых входят только твердотопливные котлы применяются, как правило, для обогрева частных домов. Необходимость сооружать угольный (дровяной) склад доставляет неудобство, но такой конфигурации достаточно для отопления в самые суровые морозы.

Системы отопления, в которые включен солнечные коллекторы позволяют экономить до 30% затрат на энергоносители, но не заменить твердотопливный котел. Поэтому ее используют как вспомогательную, тем более что солнце светит не всегда. А вот для того, чтобы дома всегда была вода, мощности достаточно (замещает на 50-90%).

Совмещенные конфигурации предполагают применение газового и твердотопливного котлов. Это удобно при запуске системы в промерзшем здании. Если газовый агрегат подключить к системе горячего водоснабжения, то вода будет всегда. При этом не нужно подбрасывать дрова, достаточно нажать пусковую кнопку газовой горелки. а основную задачу по нагреву води возьмет на себя твердотопливный котел.

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

Если отключения возможны, в систему включают альтернативный источник питания или бесперебойник. Это потребует дополнительных затрат. Целесообразность покупки данного оборудования проявляется после подсчета стоимости труб, фитингов, насоса и клапанов, которые могут прийти в негодность. В результате приобретение ИБП (источник бесперебойного питания) не кажется слишком дорогим удовольствием.

Подробный видео обзор системы

Расчет объема теплонакопителя

Слишком малый объем неэффективен, большой нецелесообразен с точки зрения затрат и потери полезной площади помещения. Точный расчет выполнить невозможно ввиду отсутствия информации о теплопотери здания, особенно, если оно находится в стадии проектирования.

Однако есть возможность рассчитать максимально приближенно. В качестве исходных данных служит мощность котла и суммарная площадь всех отапливаемых помещений. Расчеты производятся следующим образом:

  1. Мощность нагревателя в киловаттах находится в прямой зависимости с площадью. 1КВт способен обогреть 10 м2. Если дом 120 м2, то котел должен выдавать 12 КВт. Необходимо заложить запас, чтобы оборудование не работало на предельной нагрузке (средний коэффициент – 1,5). Получается, нужно устанавливать котел 18 КВт.
  2. Пренебрегая объемом жидкости в трубах и радиаторах, принимается, что каждый киловатт мощности расходуется на разогрев 25 л. теплоносителя в теплоакуумуляторе. Перемножив две величины, получаем 450 л. Эта величина не предельная, ведь на прошлом шаге был заложен запас мощности 50%.

Заложенного запаса хватит на самую холодную зиму. Оборудование будет работать не на пределе возможности, а значит, прослужит долго.

Расчет по формуле

Существует множество сложных математических формул, позволяющих произвести вычисления

Самая простая формула выглядит так: m = Q / 1.163 х Δt,

Где:

  • Q – расчетное количество тепловой энергии, которую мы можем накопить. Это разница вырабатываемой мощности котла и необходимой нам для отопления;
  • m – масса воды в резервуаре, кг. Ее мы хотим вычислить;
  • Δt – разница между начальной и конечной температурами теплоносителя, °С;
  • 1.163 кВт/кг – удельная теплоемкость воды.

Онлайн калькулятор

*Если калькулятор показывает 0 (ноль), значить у вас нет излишков энергии, которые можно накопить.

Пояснения:

Паспортная мощность котла, она указана производителем. Если документы на оборудование не сохранились, найти характеристики можно с сети интернет.

Мощность, необходимая для отопления вашего дома. Рассчитывается специалистами по сложной форме, которая включает: объем помещения, систему отопление, энергоэффективность всего дома.

Температура подачи и обратки. Если в системе не установлены термометры, ее можно снять любым теплосъемником.

Как сделать теплоаккумулятор своими руками

Такой вопрос возникает когда человек узнает цену на такое оборудование, в зависимости от количества змеевиков и материала изготовления, она колеблется в пределах 400-1500 уе. Что не всем по карману.

Схема устройства

ТА представляет собой цилиндрическую емкость или прямоугольной формы, изготовленную из металла. Размеры определяет требуемый объем, полученный в результате расчетов, приведенных ранее. Толщина стенки 2-3 мм.

Лист раскраивается при помощи плазмореза, болгарки, гильотины или сварочного аппарата. Сшивается он также при помощи сварки. Максимальное качество шва обеспечивает газовая сварка, но и инверторной можно получить желаемый результат. В любом случаи качество сварных швов необходимо будет проверить под давлением до 4 атмосфер. Торцевые стенки цилиндра закрываются плоскими металлическими кругами той же толщины.

Сталь или нержавка

Сегодня на рынке можно приобрести такие емкости как с черной стали так и с нержавеющей. Производители же утверждают что стоит брать только последний вариант так как он не подвержен коррозии, но и стоит в 2-2.5 раза дороже. Что же выбрать? На самом деле, есть нет денег на нержавку смело берите черный металл. Толщины 3 мм хватит на многие годы, так как эта емкость постоянно заполнена водой, содержащегося в ней кислорода недостаточно для образования коррозии.

Единственная проблема, это когда сливается вода, определенное время внутри сохраняется сырость. Но, запаса толщины металла достаточно чтобы это не было проблемой. Из моей практики: теплоаккумуляторы эксплуатируются уже около 10 лет, никаких проблем с коррозией при ревизии не обнаруживалось.

В качестве теплообменника выступает изогнутая гладкая или гофрированная труба. Покупка магниевого анода избавит от опасности быстрого покрытия конструкции коррозией.

Пример чертежа

Необходимо заблаговременно изготовить чертеж и отметить входное и выходное отверстия для врезки теплообменника и еще два подключения к главному контуру. Входное сверху, выходное внизу. В стенки врезаются штуцеры. Дополнительных два отверстия с патрубками нужно сделать в днище и верхней крышке. Одно для слива теплоносителя, второе для воздухоотводчика (избавит от переизбытка давления внутри бака).

Чтобы емкость, особенно если форма не цилиндрическая, после заполнения не раздуло, по периметру, на расстоянии 320-380 мм друг от друга устанавливаются ребра жесткости (снаружи бака). Их изготавливают из металлической полосы толщиной 3 мм. Внутри каждое кольцо стягивается двумя диаметральными усилителями стенок, перпендикулярными друг другу. То же самое делают с торцевыми стенками (усилитель соединяет центры окружностей).

Вся конструкция сваривается. Для установки потребуются опоры. Они будут прилажены к днищу. В этих местах снаружи бака прилаживают дополнительные ребра жесткости из такой же полосы, чтобы под массой ТА днище не деформировалось. На штуцеры нарезается резьба (если соединение с трубами планируется выполнить при помощи муфт). Это можно сделать до их установки на ТА.

Как альтернативу применяют сварное соединение контура. Это неудобно с точки зрения обслуживания. В случае выхода ТА из строя придется резать трубы. Муфту можно раскрутить, а после ремонта смонтировать все заново. Если в качестве змеевика используют сплавы цветных металлов, понадобится аргоновая сварка.

Когда система предполагает использование нескольких спиралей теплообменника, их устанавливают одна внутри другой. То есть диаметр первой меньше диаметра второй. Возможна конструкция с расположением друг над другом, если такое позволяет высота потолков в помещении.

Материалом для бака может служить углеродистая сталь с антикоррозийным покрытием, нанесенным гальваническим методом. Это дешевле, нежели сделать бак из нержавейки. Но последняя прослужит дольше. Единственное уязвимое место – сварочные швы. Их лучше обработать. Естественно, сварочный аппарат должен иметь возможность варить нержавеющую сталь.

В качестве дополнительного оборудования можно врезать электрический ТЭН. Включая его вы сократите время запуска и прогрева системы. Контрольно-измерительные приборы тоже не будут лишними (термометр, контроллер уровня теплоносителя и т.д.). В качестве устройств, обеспечивающих безопасность работы теплоаккумулятора, применяют предохранительный выпускной воздушный клапан. Такая система надежна, долговечна и неприхотлива.

Изготовление змеевика

Для изготовления этого элемента используется медная трубка 20-30 мм диаметром. Форма должна быть цилиндрическая, поскольку всегда являются слабым местом в системах с постоянно циркулирующей водой.

Что бы сделать такую спиральную конструкцию можно использовать простейшее приспособление в виде деревянно-фанерного каркаса, на который наматывается трубка.

С обеих краев трубки нужно приварить или припаять штуцеры с резьбой для дальнейшего подключения их в систему. Для спайки лучше всего использовать мягкий припой.

Проверка герметичности

Теперь необходимо проверить нашу конструкцию на протекание, причем сделать это необходимо под давлением. Во первых система отопления работает в пределах 0.8-3.5 атмосферы, во вторых давление может скакать достаточно резко при быстром прогреве системы и на это необходимо сделать определенный напуск. давления 4 Бар будет достаточно.

Наполняем резервуар водой максимально как только позволяет конструкция. Далее можно применить компрессор или даже автомобильный насос и накачать им необходимое давление. Подсоединить его можно через одно из технологических отверстий, о которых я писал выше.

Оставить в таком состоянии емкость на некоторое время и проверить не проявляется ли вода или сырость на швах.Если такая проблема возникла ее необходимо исправлять.

назначение, критерии при выборе, схема подключения

Содержание статьи:

В домах, где отсутствует газ или централизованное отопление, используются отопительные индивидуальные системы, включающие твердотопливные и электрические котлы или гелиосистемы, работающие на солнечной энергии. У этих систем есть важный недостаток – неравномерность нагрева теплоносителя ввиду принципиальных особенностей функционирования или влияния внешних факторов. Оптимизировать их можно с помощью теплоаккумулятора для отопления, который сыграет роль буфера между источником тепла и потребителями.

Назначение теплоаккумулятора

Теплоаккумуляторную емкость можно подключать к любому типу котла

Теплоаккумулятор для различного типа котлов отопления представляет собой заполненный водой резервуар внушительного размера, который позволяет решить проблемы, возникающие при работе отопительного котла:

  • перерасход энергии;
  • избыточная мощность отопления;
  • перегрев воды в котле;
  • периодические колебания температуры нагрева из-за неравномерности самого процесса горения и несвоевременной закладки дров, угля;
  • несовпадение пиков выработки и потребления тепловой энергии.

Часть проблем можно решить путем установки пиролизного котла длительного горения, но в последнем случае он не поможет. Особенность работы котла в том, что после закладки топлива мощность отдачи тепловой энергии постепенно увеличивается, достигая пиковых значений, а затем также постепенно уменьшается. Если вовремя не добавить топливо в котел, он останавливается, теплоноситель начинает остывать, а вместе с этим падает температура в доме. В период пиковой выработки тепла система не в состоянии эффективно распределять всю энергию, поскольку оснащена терморегуляторами, поэтому часть тепла растрачивается впустую. Если котел электрический, гораздо выгоднее накапливать тепло в ночные часы, когда электроэнергия рассчитывается по льготному ночному тарифу, чтобы днем потреблять электричество как можно меньше.

Резервуар теплоаккумулятора для системы отопления выполнен из нержавеющей или обычной стали, изнутри может быть покрыт защитным лаком. Стенки сверху окрашиваются теплоустойчивой краской, затем закрываются теплоизоляционным материалом и кожзаменителем. Фактически при подключении теплоаккумулятора объем теплоносителя в системе отопления увеличивается, что позволяет компенсировать пиковую мощность котла и одновременно накопить тепло для передачи ее теплоносителю при падении мощности выработки тепловой энергии котлом. Благодаря качественному утеплению вода в теплоаккумуляторе остывает долго. Она сохраняется в нагретом состоянии в течение нескольких часов и даже дней и посредством насоса подается в систему. Принцип действия теплоаккумулятора основан на разной теплоемкости различных сред, в частности воды и воздуха. Уменьшение температуры 1 л воды на один градус приводит к повышению температуры воздуха объемом 1 м3 на 4 градуса.

Если при использовании твердотопливных и электрических котлов установка теплового аккумулятора желательна, но не обязательна, то присутствие теплоаккумулятора в гелиосистеме – необходимое условие функционирования, поскольку в вечернее и ночное время солнечную энергию невозможно получить, а осенью и зимой в пасмурные дни использование системы сильно ограничено.

Плюсы и минусы

Можно установить теплоаккумулятор, в котором имеются функции бойлера

Плюсы использования теплового аккумулятора:

  • Сохраняет тепловую энергию в течение нескольких часов и дней.
  • Исключается перегрев котла.
  • Тепловая энергия не расходуется зря, а накапливается, чтобы быть использованной в дальнейшем, благодаря этому увеличивается КПД котла и отопительной системы в целом.
  • Позволяет экономить финансовые средства.
  • Температура воздуха в помещениях легко поддерживается на оптимальном уровне, резкие скачки температуры исключены.
  • Нет необходимости в частых загрузках топлива.
  • Дополнительно к твердотопливному котлу можно установить гелиосистему, являющуюся бесплатным источником тепловой энергии.
  • Некоторые модели термоаккумуляторов для отопления могут совмещать функции бойлера.

Недостатки системы:

  • Долгий нагрев – оптимальна установка в домах, предназначенных для постоянного проживания. В дачных коттеджах, которые посещаются зимой в выходные, пользу такой прибор не принесет.
  • Высокая стоимость – они стоят примерно столько же, сколько и котел, а иногда и дороже.
  • Значительные габариты и вес – из-за этого возникают определенные сложности при транспортировке и монтаже. Кроме того, теплонакопитель, предназначенный для отопления, устанавливают в непосредственной близости к котлу, там же должно находиться дополнительное оборудование, поэтому нередко приходится выделять для установки приборов специальное помещение и подготавливать его специальным образом: обустраивать опорную площадку, способную выдержать вес накопителя. В заполненном состоянии резервуар может весить 3-4.
  • Требуется котел высокой мощности – покупка накопителя оправдана, если мощность котла не используется в полной мере, имеется как минимум двойной запас мощности, в противном случае прибор будет бездействовать.

Теплоаккумулятор можно сделать своими руками из нержавейки и медной трубы

При изготовлении теплоаккумулятора своими руками удастся сэкономить значительную сумму. Самая простая конструкция изготавливается из стальной нержавеющей бочки или даже листовой нержавейки толщиной не менее 3 мм. Также потребуется медная трубка диаметром 3 см и длиной 14 м. Ее сгибают в виде спирали и помещают внутрь бака. Снизу делают подводку холодной воды, сверху отвод для горячей, устанавливают на отводы запорные краны. Обязательно нужно утеплить теплоаккумулятор, сделанный своими руками для твердотопливного котла, иначе он будет неэффективен. Также необходимо установить датчики давления и температуры.

Если цилиндрическую емкость сварить не получается, можно изготовить теплоаккумулятор для отопления в форме параллелепипеда – своими руками резервуар такой формы сделать проще. Углы дополнительно усиливают, снаружи дополняют конструкцию ребрами жесткости – приваривают их на расстоянии 30-35 см друг от друга. Соотношение диаметра и высоты прибора – 1:3(4).

Критерии при подборе

Выбирают теплоаккумулятор, учитывая параметры системы отопления и вид теплоносителя

Подбирать тепловой аккумулятор необходимо в соответствии с точными расчетами, учитывающими параметры домашней системы отопления. Однако помимо расчетных значений принимают во внимание общие характеристики тепловых накопителей.

  • Давление в системе отопления. По этому параметру тепловой аккумулятор должен соответствовать системе отопления. Во всяком случае значение может быть выше, но не ниже. Какое давление сможет выдержать накопитель, зависит от толщины стенок, формы резервуара, материала изготовления. Теплоаккумуляторы для котлов, выдерживающие более 4 бар, имеют выпуклые нижнюю и верхнюю крышки.
  • Объем буферной емкости. Этот параметр считают наиболее важным и стараются выбрать емкость такого объема, чтобы накопитель мог аккумулировать все лишнее тепло. Но в то же время и излишне объемный прибор не нужен.
  • Наружные размеры и вес. Вопросы транспортировки и размещения оборудования решать придется, поэтому необходимо тщательно все рассчитать: пройдет ли бак в дверной проем, выдержат ли перекрытия при полностью заполненном водой резервуаре.
  • Оснащение дополнительными теплообменниками. Они позволяют еще более оптимизировать функционирование системы. Модели подбирают в соответствии со сложностью всей системы.
  • Возможность установки дополнительных устройств. Совместно с аккумуляторным буфером обмена устанавливают дополнительные ТЭНы, датчики и регуляторы температуры. Если все элементы системы подобраны грамотно, можно снизить расход топлива в два раза.

Баки изготавливают из углеродистой стали или нержавейки. Последние стоят дороже и служат дольше, а первые обязательно имеют антикоррозийное покрытие. Необходимо убедиться в его качестве.

Расчёт объема буферной емкости котла

По расчетам, теплоаккумулятор должен принять всю энергию от одной закладки топлива в котел

Объем буферной емкости обычно рассчитывают таким образом, чтобы за время горения одной закладки топлива теплоаккумулятор сохранил все выработанное котлом тепло. Самостоятельно можно произвести лишь приблизительные расчеты, не учитывающие теплопотери от радиаторов отопления и влияние температуры воздуха в помещении. Основная формула для расчетов объема теплоаккумулятора:

W = k × m × с × Δt, где

  • W – избыточное количество тепла;
  • m – масса жидкости;
  • с – теплоемкость теплоносителя;
  • Δt – количество градусов, на которые нужно нагреть теплоноситель;
  • k – КПД котла.

Отсюда нужно вычислить массу теплоносителя: m = W / (k × с × Δt).

Так как W определяется как разница значений энергии, выработанной котлом и затраченной на обогрев дома, необходимо также уточнить их и время прогорания закладки топлива. Если мощность котла приводится в паспорте прибора, расход тепловой энергии на отопление нужно рассчитывать. Время прогорания топлива определяется опытным путем. Допустим, это 3 ч, а на отопление дома требуется 10 кВт/ч. Значит, за 3 ч будет потрачено: 10 × 3 = 30 кВт.

Выработка тепла котлом мощностью 22 кВт/ч составляет: 22 × 3 = 66 кВт.

По итогам расчета избыточное тепло составит: W = 66 – 30 = 36 кВт. Переводим в Вт, получаем 36000 Вт.

Используя формулу m = W / (k × с × Δt), определяем искомое значение массы воды. КПД указывается в паспорте в процентах. Это значение нужно перевести в десятичное, разделив на 100. Например, 80/100 = 0,8. Теплоемкость воды равна 4,19 кДж/кг×°С или 1,164 Вт×ч/кг×°С или 1,16 кВт/м³×°С.

Δt  определяют путем измерения температуры трубы подачи и обратки, вычитая из большего значения меньшее. Например: Δt = 88 – 58 = 30°С. Таким образом, m = 36000/(0,8 × 1,164 × 30) = 1 288,7 кг.

Для сохранения всей избыточной энергии, выработанной котлом, потребуется емкость объемом не менее 1 288,7 м3. Подойдет теплоаккумулятор Jaspi GTV Teknik на 1500 л. При более скромных значениях расчета можно ограничиться резервуаром, к примеру, на 750 л.

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.
Проточный теплоаккумулятор
С бойлером
С теплообменником

Выходных патрубков у теплового аккумулятора, предназначенного для системы отопления, несколько, и они расположены вдоль бака по вертикали, так как имеет место температурный градиент по высоте. Это сделано для того, чтобы можно было подключать контуры с разными требованиями к температуре теплоносителя, снижать нагрузку на регуляторы температуры. В результате тепловая энергия используется максимально эффективно.

В системе с трехходовыми клапанами возможна более точная регулировка температуры

Другие типы систем:

  1. 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.
  2. В системе присутствуют узлы смешивания, байпасы, поэтому возможна более точная регулировка по температуре теплоносителя. Эффективность оборудования достигается благодаря установке, например трехходовых клапанов.
  3. 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.
  4. 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.
  5. В системе установлен дополнительный внешний теплообменник. Он позволяет поддерживать нужную температуру в аккумуляторе.
  6. Система с проточным контуром горячего водоснабжения. Она оптимальна, если горячая вода используется равномерно. В противном случае рекомендуется приобрести энергоаккумулятор со встроенным бойлером.
  7. 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.
  8. 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.

При наличии различных контуров отопления и источников тепловой энергии формируется сложная разветвленная система со множеством дополнительного регулировочного оборудования, датчиков, групп безопасности. Ее проектировку рекомендуется доверить профессионалам, так как потребуются высокоточные расчеты.

Обвязка аккумулятора для тепла

Емкость должна быть хорошо утеплена. Если это покупной теплоаккумулятор, нужно оценить толщину и качество внешней изоляции. Чем лучше и толще теплоизолятор, тем дольше будет сохраняться тепло. Благодаря особой структуре теплоизолятора теплоаккумулятор работает как термос. Толщина теплоизоляции в качественных моделях составляет около 10 см. Она закрывает окрашенный термостойкой краской корпус. Поверх теплоизоляции идет слой кожзаменителя. Самостоятельно утепление выполняется по той же схеме. Сначала бак красят краской, стойкой к высокой температуре, затем утепляют базальтовой ватой толщиной не менее 150 мм, а сверху закрывают фольгой.

Теплоаккумулятор для отопления, схема, установка системы своими руками

Как правило, система отопления включает в своем составе привычно сложившиеся годами три элемента – источник тепла (котел), трубопроводы, отопительные приборы (в виде радиаторов). Но если вдруг у вас частный дом, который отапливается котлом на твердом топливе, а вы хотите увеличить коэффициент полезного действия и избавить себя от такой необходимости, как постоянное слежение за процессом топки, то, наверное, нужно применить в системе такой узел, как теплоаккумулятор для отопления.

Что такое и для чего нужен теплоаккумулятор?

Аккумулятор тепла представляет собой стальной герметичный изолированный бак из черной стали, имеющий патрубки – два верхних и два нижних для того чтобы подключать источник и потребитель тепла. Теплоаккумулятор для отопления отзывы показывают, что это эффективное устройство. А служит оно для того чтобы аккумулировать избыточную энергию, которую источник тепла (котел) выделяет.

теплоаккумулятор для отопления своими руками

Теплоаккумулятор для отопления

Итак, если ваш котел с твердым топливом функционирует в режиме оптимального горения (на полную мощность) от загрузки топлива до его полного сгорания, то будет максимум эффекта. Так, полученное тепло попадает в отопительную систему. Но не всегда система нуждается в таком количестве тепла. Именно для этих целей и существует буферная емкость системы отопления.

Такая емкость накапливает избыточное тепло и при необходимости подает его в систему. Поэтому, используя аккумуляторы тепла в системах отопления, вы экономите топливо, увеличиваете время работы вашего котла, уменьшаете расходы на отопление вашего дома.

Принцип работы

Принцип работы такого устройства, как тепловой аккумулятор для отопления, основывается на применении высокой теплоемкости воды. К верхнему патрубку на баке подключается трубопровод котла, который подает горячую воду. К нижнему подключается отводящий из бака холодную воду циркуляционным насосом. Так, горячая вода подается из котла в бак, а холодная – возвращается в котел. Насос отбирает из нижней части бака холодную воду до того момента, как весь бак не заполнится горячей водой.

Тепловые аккумуляторы для отопления теплоизолированы пенополиуретаном, поэтому горячая вода в баке не будет быстро остывать, а поэтому время работы системы будет увеличено за счет аккумулированного тепла.

Чем более будет объем вашего бака и мощность отопительной системы, тем это время будет более. Накопители тепла для отопления должны быть такого объема, чтоб его хватило для аккумулирования тепла, которое выделяется при сгорании разовой загрузки топлива.

Рекомендуем к прочтению:

гидроаккумулятор для системы отопления

Принципиальная схема системы отопления с теплоаккумулятором

На второй нижний патрубок бака ставится обратный трубопровод системы отопления, при помощи насоса холодная вода из системы идет в бак. Холодная вода является более тяжелой, чем горячая, поэтому она остается внизу, а при наполнении ею бака она вытесняет горячую воду наверх в трубопровод отопительной системы. И пока холодная вода не наполнит весь объем бака, в систему будет идти только горячая вода.

Теплоаккумуляторы для отопления могут быть с термоизоляцией и без нее. Также в зависимости от того, какая модель и схема отопления с теплоаккумулятором, в баке может быть один или несколько встроенных змеевиков-теплообменников, сделанных из черной стали. Схема отопления с тепловым аккумулятором может быть и с встроенным резервуаром для воды (внутренний бойлер) для снабжения горячей водой.

теплоаккумулятор для отопления

Теплоаккумулятор с изоляцией

Варианты расположения патрубков тоже могут быть различными. Если не спускать воду и не опускать того, чтоб в систему проникал воздух, срок службы может быть неограниченным.

Где применяется устройство

Как было указано ранее, тепловой аккумулятор в системе отопления существенно увеличивает инерцию системы: хоть носитель тепла будет нагреваться дольше, он будет копить более тепла и дольше его отдавать и уменьшать скачки температуры. И если ваш дом присоединен к центральному отоплению или система как теплогенерирующее оборудование применяет котел на жидком или газовом топливе, который работает автоматически, то в данном случае теплоаккумулятор для отопления своими руками будет лишь лишними расходами на материалы.

Рекомендуем к прочтению:

Но теплоаккумулятор будет целесообразен в нескольких случаях:

  • Когда в отопительной системе используются котлы на твердом топливе, и нет возможности постоянно их обслуживать. Так, теплоаккумулятор может обеспечить постоянную температуру в помещении и сгладить скачки.
  • Когда используется электрическое водяное отопление и дифференцированная оплата за электроэнергию. Самодельный теплоаккумулятор отопления сможет накопить тепло в те часы, когда тариф минимальный, а далее нагревать при самой маленькой мощности.
  • Когда отопительная система имеет периоды пикового разбора теплоэнергии, а установка дополнительного котла нецелесообразны. Система отопления с тепловым аккумулятором обеспечит отдачу тепла в эти промежутки времени.

Когда аккумулятор тепла будет лишним

Бывает так, что для систем отопления наоборот требуется быстрый набор температуры и ее снижение. Так, повышенное количество носителя тепла, накапливающееся в аккумуляционной емкости, будет мешать быстро нагреваться и остывать, а также точно регулировать температуру. Такие случаи:

  • Когда отопление нужно лишь в короткое время и перерасход топлива не нужен. К примеру, котельная функционирует на обогрев сушилки, применяемой только временами. Поэтому нет особой необходимости греть пустое помещение тем теплом, которое накопилось и ставить такое устройство, как система отопления с теплоаккумулятором.
  • Когда кроме отопления теплоустановка применяется еще и в качестве поставщика тепла для некоего технологического оборудования, и нужна быстрая и точная смена температуры – здесь повышенная инерция будет мешать.

Против скачков в давлении водоснабжения

Водопроводная сеть часто бывает нестабильной, поэтому элементы системы отопления, использующие ее, могут страдать от скачков давления. Чтобы обезопасить технику, используется гидроаккумулятор для системы отопления. Часто его сравнивают с мембранным расширительным баком, но не все знают, что это не одно и то же.

буферная емкость системы отопления

Гидроаккумулятор в системе отопления

Мембранный бак используется для того чтобы сгладить расширения теплоносителя (воды). А для питьевой воды используется гидроаккумулятор для системы отопления схема установки которого служит для поддержания запаса воды, поддержания необходимого напора, защиты системы от гидроударов.

Теплоаккумулятор и электрокотел отопления | буферная-емкость.рф

Буферная и емкость, и электрический котел отопления.

Можно ли сэкономить свои деньги на потреблении электроэнергии, при условии отопления электрическим котлом. Да, такая возможность есть, но только в том случае. если к вашему дому подведено надежное энергоснабжение, с возможностью ночной терификации. Не будем говорить о том, что сам электрический котел может отапливать дом напрямую, в ночное время, что снизит общие затраты на отопления. Буферная емкость также может существенно способствовать экономии денег на энергопотреблении.
Что такое теплоаккумулятор. Это прибор системы отопления, который принимает на себя тепловую энергию, накапливает ее, с целью последующей отдачей в систему отопления. В случае с твердотопливными котлами, буферные емкости (теплоаккумуляторы) собирают тепло от твердотопливного котла, который уже прогрел дом, но процесс горения угля в топке еще продолжается. До установки теплоаккумулятора, это невостребованное тепло попросту уходило бы на улицу через форточку, систему вентиляции, или просто в дымоход. С установкой буферной емкости, эта тепловая энергия вначале собирается в емкость, а затем отдается в отопительную систему без дополнительного запуска угольного котла.
Как работает теплоаккумулятор с электрическим котлом. Здесь основная идея загрузки буфера кроется в мощности электрокотла, подключении его по ночному тарифу. Ночью, электрокотел, обладающий повышенной мощностью может не только прогревать теплоноситель для системы отопления, но и при превышении тепловой энергии запитывать ночью буферную емкость. Прогретый ночью теплоноситель, впоследствии, будет отдаваться в отопительную систему днем, когда стоимость электроэнергии уже будет тарифицироваться по более дорогому тарифу. При этом, сам электрокотел не будет включаться.  Таким образом, можно сэкономить свои деньги, искусственно увеличив интервал энергопотребления в ночном, дешевом тарифе.
При большой мощности электрического котла, весь потенциал генератора тепла будет довольно быстро прогревать буфер.

Как рассчитать объем теплоаккумулятора для электрокотла.

Расчет объема буферной емкости можно производить по специальным теплотехническим формулам со многими неизвестными, или можно воспользоваться обычным народным расчетом. Упрощенный вид определения объема теплоакумулятора следующий: на 1 кВт мощности отопительного котла необходимо 30 литров объема буферной емкости. Другими словами, при мощности электрокотла около 15 кВт, объем буферной емкости (теплоаккумулятора) должен составлять около 500 литров.
Конечно, стоит внести поправки при подборе объема буфера на возможности выдачи электрокотлом дополнительного, невостребованного тепла. Очевидно, что что если электрический котел еле-еле справляется только с отопительной системой напрямую, то для для прогрева буфера у него попросту не останется необходимой мощности загрузки. В таклем случае, объем теплоаккумулятора стоит высчитывать по принципу остаточной мощности.

Теплоаккумулятор с электрическими ТЭНами.

Есть техническое решение, которое позволяет загружать буферную емкость недорогим теплом по ночному тарифу, без использования электрокотла. Дело в том, что многие производители теплоаккумуляторов оснащают свою продукцию специальными погружными гильзами для установки электрических ТЭНов сразу в тело теплоаккумулятора. И данное техническое решение, может быть даже технически более правильное, чем загрузка буфера от электрокотла.
Во-первых, вы не перегружаете основной источник отопления — электрокотел.
Во-вторых, нет теплопотерь по температуре теплоносителя, при передаче тепла от электрокотла теплоаккумулятору.
В-третьих, Вы сами регулируете энергопотребление буферной емкости, набирая оптимальную электрическую мощность ТЭНами. Выбор нагревательных элементов по мощности зависит исключительно от остаточных возможностей потребления электроэнергии с учетом работающего электрокотла.
В-четвертых. Вы не привязаны к мощности электрокотла при выборе объема бочки теплоаккумулятора. Объем выбираете сами, именно по суммарной мощности электрических ТЭНов.
Возможности набора электрических ТЭНов для тепоаккумулятора,  как правило, следующий: 2 кВТ, 3 кВТ, 6 кВТ, 9 кВТ.  Таким образом, у вас существенно увеличивается оперативный технический простор для сбора тепла в буферную емкость в ночном режиме электропотребления.

Какой купить электрокотел для буферной емкости.

Выбор электрокотла, практически ничем не ограничен. Вам не требуется особая встроенная система автоматики или управления электрокотлом, кроме обычного комнатного термостата. Все основные узлы, регулирующие направление потока теплоносителя находятся вне корпуса электрокотла. Как правило, это обычный трехходовой кран с сервоприводом, управляемый комнатным температурным программатором.
Но мы все же рекомендуем для установки в системах отопления электрокотлы ЭВАН. На сегодняшний день, это одни из самых надежных, долговечных, и проверенных отопительных электрических котлов.

Расчет и установка теплоаккумулятора для котлов отопления

теплоаккумулятор для котлов отопления

Теплоаккумулятор для котлов отопления

Мы продолжаем наш цикл статей темой, которая будет интересна тем, кто отапливает свое жилье твердотопливными котлами. Мы расскажем про теплоаккумулятор для котлов отопления (ТА) на твердом топливе. Это действительно нужный прибор, позволяющий сбалансировать работу контура, сгладить перепады температуры теплоносителя при этом еще и сэкономить. Сразу отметим, что теплоаккумулятор для электрокотлов отопления применяется только в том случае, если в доме стоит электросчётчик с раздельным подсчетом ночной и дневной энергии. В противном случае установка теплоаккумулятора для газовых котлов отопления не имеет никакого смысла.

Как работает система отопления с теплоаккумулятором

Теплоаккумулятор для котлов отопления – это часть системы отопления, предназначенная для увеличения времени между загрузками твердого топлива в котел. Он представляет собой резервуар, в который нет доступа воздуха. Он утеплен и имеет достаточно большой объём. В тепловом аккумуляторе для отопления всегда есть вода, она же циркулирует по всему контуру. Конечно, в качестве теплоносителя может быть и незамерзающая жидкость, но все же из-за своей дороговизны в контурах с ТА ее не используют.

Помимо этого в заполнении системы отопления с теплоаккумулятором антифризом нет смысла, так как такие резервуары ставятся в жилых помещениях. И суть их применения заключается в том, чтобы температура в контуре всегда была стабильной, а соответственно вода в системе теплой. Применение большого теплового аккумулятора для отопления в загородных домах временного проживания нецелесообразно, а от маленького резервуара толку мало. Это связано с принципом работы аккумулятора тепла для системы отопления.

  • ТА находится между котлом и системой отопления. Когда котел нагревает теплоноситель – он попадает в ТА;
  • затем вода поступает по трубам в радиаторы;
  • обратка возвращается в ТА, а затем сразу в котел.

Хоть аккумулятор тепла для системы отопления – это единый сосуд, из-за его больших размеров направление потоков вверху и в низу отличаются.

Чтобы ТА выполнял свою основную функцию аккумулирования тепла, эти потоки нужно перемешивать. Сложность заключается в том, что высокая температура всегда поднимается, а холод стремится опуститься. Нужно создать такие условия, чтобы часть тепла опускалась ко дну теплового аккумулятора в системе отопления и нагревала теплоноситель обратки. Если температура выровнялась во всём резервуаре, то он считается полностью заряженным.

После того как котел выпалил все что в него загрузили, он перестает работать и в дело вступает ТА. Циркуляция продолжается и он постепенно отдает свое тепло через радиаторы в помещение. Все это происходит до того момента, пока в котел опять не поступит очередная порция топлива.

Если накопитель тепла для отопления маленький, то его запаса хватит совсем ненадолго, при этом время нагрева батарей увеличивается, так как объём теплоносителя в контуре стал больше. Минусы использования для домов временного проживания:

  • увеличивается время прогрева помещения;
  • больший объём контура, что делает заполнение его антифризом дороже;
  • более высокие расходы на монтаж.

Как вы понимаете заполнять систему и спускать воду каждый раз, когда вы приезжаете на свою дачу, по меньшей мере, хлопотно. Учитывая, что один только бак будет литров 300. Ради нескольких дней в неделю идти на такие меры бессмысленно.

В резервуар встраиваются дополнительные контуры – это металлические трубы-спирали. Жидкость в спирали, не имеет прямого контакта с теплоносителем в теплоаккумуляторе для отопления дома. Это могут быть контуры:

  • ГВС;
  • низкотемпературного отопления (теплый пол).

Таким образом, даже самый примитивный одноконтурный котел или даже печка может стать универсальным нагревателем. Он обеспечит весь дом необходимым теплом и горячей водой одновременно. Соответственно производительность нагревателя будет использована в полной мере.

В серийных моделях, изготовленных в производственных условиях, встраиваются дополнительные источники подогрева. Это тоже спирали, только они называются электрическими тэнами. Их зачастую несколько и они могут работать от разных источников:

  • электросеть;
  • солнечные батареи.

Такой подогрев относится к дополнительным опциям и не является обязательным, учитывайте это, если решили сделать теплоаккумулятор для отопления своими руками.

Схемы обвязки теплового аккумулятора

Осмелимся предположить, что если вы заинтересовались этой статьей, то, скорее всего, решили сделать тепловой аккумулятор для отопления и его обвязку своими руками. Схем подключения можно придумать много, главное, чтобы все работало. Если вы правильно понимаете процессы, происходящие в контуре, то вполне можете поэкспериментировать. То, как вы подключите ТА к котлу, повлияет на работу всей системы. Давайте для начала разберем самую простую схему отопления с теплоаккумулятором.

схему отопления с теплоаккумулятором

Простая схема обвязки ТА

На рисунке вы видите направление движений теплоносителя. Обратите внимание на то, что движение обратки вверх запрещено. Чтобы этого не происходило, насос между ТА и котлом должен прокачивать большее количество теплоносителя, нежели тот, который стоит до резервуара. Только в таком случае будет образовываться достаточная втягивающая сила, которая будет отбирать часть тепла из подачи. Минус такой схемы подключения – это длительное время разогрева контура. Чтобы его сократить, нужно создать кольцо прогрева котла. Его вы можете увидеть на следующей схеме.

схему отопления с теплоаккумулятором

Схема обвязки ТА с контуром прогрева котла

Суть контура разогрева заключается в том, что термостат не подмешивает воду из ТА до тех пор, пока котел не прогреет ее до установленного уровня. Когда котел разогрелся, часть подачи уходит в ТА, а часть перемешивается с теплоносителем из резервуара и поступает в котел. Таким образом, нагреватель всегда работает с уже нагретой жидкостью, что увеличивает его КПД и время разогрева контура. То есть батареи станут теплыми быстрее.

Такой метод установки теплоаккумулятора в систему отопления позволяет использовать контур в автономном режиме, когда насос работать не будет. Обратите внимание, что на схеме показаны только узлы подключения ТА к котлу. Циркуляция теплоносителя к радиаторам происходит по-другому контру, который также проходит через ТА. Наличие двух байпасов позволяет перестраховаться дважды:

  • обратный клапан включается в работу, если насос остановлен и шаровой кран на нижнем байпасе перекрыт;
  • в случае остановки насоса и поломки обратного клапана циркуляция осуществляется через нижний байпас.

В принципе, в такую конструкцию можно внести некоторые упрощения. Учитывая тот факт, что у обратного клапана высокое сопротивление потока, его можно исключить из схемы.

система отопления с теплоаккумулятором схема

Схема обвязки ТА без обратного клапана для гравитационной системы

При этом, когда пропадет свет, нужно будет вручную открыть шаровой кран. Следует сказать, что при такой разводке ТА должен находиться выше уровня радиаторов. Если вы не планируете, что система будет работать самотеком, то обвязку системы отопления с теплоаккумулятором можно выполнить по схеме, указанной ниже.

система отопления с теплоаккумулятором схема

Схема обвязки ТА для контура с принудительной циркуляцией

В ТА создается правильное движение воды, что позволяет шар за шаром, начиная с верхнего, прогревать ее. Возможно, возникнет вопрос, что делать, если не станет света? Об этом мы рассказывали в статье об источниках альтернативного питания для системы обогрева. Это будет экономнее и удобнее. Ведь гравитационные контуры выполняются из труб большого сечения, к тому же должны соблюдаться не всегда удобные уклоны. Если посчитать цену труб и фитингов, взвесить все неудобства монтажа и сравнить это все с ценой ИБП, то идея установки альтернативного источника питания станет очень привлекательной.

Расчет объёма накопителя тепла

расчет теплоаккумулятора для отопления

Объем теплоаккумулятора для отопления

Как мы уже упомянули ТА маленького объёма использовать нецелесообразно, при этом слишком большие резервуары также не всегда уместны. Вот и назрел вопрос о том, как рассчитать нужный объём ТА. Очень хочется дать конкретный ответ, но, к сожалению, его не может быть. Хотя приблизительный расчет теплоаккумулятора для отопления все же есть. Допустим, вы не знаете, какие теплопотери вашего дома и узнать не можете, например, если он еще не построен. Кстати, чтобы сократить теплопотери, нужно утеплить стены частного дома под сайдинг. Подобрать бак можно исходя из двух величин:

  • площадь отапливаемого помещения;
  • мощность котла.

Методы расчета объёма ТА: площадь помещения х 4 или мощность котла х 25.

Именно эти две характеристики являются определяющими. Разные источники предлагают свой способ расчета, но по факту эти два метода тесно взаимосвязаны. Предположим мы решили рассчитать объем теплоаккумулятора для отопления, отталкиваясь от площади помещения. Для этого нужно квадратуру отапливаемого помещения умножить на четыре. К примеру, если у нас есть маленький дом в 100 м кв, то понадобится бак 400 литров. Такой объём позволит сократить загрузку котла до двух раз в сутки.

Несомненно, и так есть пиролизные котлы, в которые закладывается топливо дважды в сутки, только в этом случае принцип работы немного отличается:

  • топливо разгорается;
  • уменьшается подача воздуха;
  • начинается процесс тления.

В этом случае, когда топливо разгорается, температура в контуре начинает интенсивно повышаться, а потом тление поддерживает воду тёплой. Во время этого самого тления много энергии улетучивается в трубу. Помимо этого если твердотопливный котел работает в тандеме с негерметичной системой отопления, то при пиковой температуре расширительный бак иногда закипает. В нем в прямом смысле слова начинает кипеть вода. Если трубы сделаны из полимеров, тогда это просто губительно для них.

В одной из статей про полимерные трубы мы рассказывали об их характеристиках. ТА забирает часть тепла и бак может закипеть только после того, как резервуар зарядится полностью. То есть возможность закипания, при правильном объёме ТА, стремится к нолю.

Теперь попробуем рассчитать объём ТА, исходя из количества киловатт в нагревателе. Кстати, этот показатель рассчитывается на основании квадратуры помещения. На 10 м берется 1 кВт. Выходит, что в доме 100 м кв должен стоять котел минимум в 10 киловатт. Так как расчет всегда делается с запасом, то можно предположить, что в нашем случае будет стоять 15 киловаттный агрегат.

Если не учитывать количество теплоносителя в радиаторах и трубах, то один киловатт котла может нагревать приблизительно 25 литров воды в ТА. Поэтому и расчет будет соответствующим: нужно мощность котла умножить на 25. В итоге мы получим 375 литров. Если сравним с предыдущим расчетом, то результаты очень близки. Только это с тем учетом, что мощность котла будет рассчитываться с зазором хотя бы в 50%.

Помните, чем больше ТА, тем лучше. Но в этом деле, как и в любом другом, нужно обходиться без фанатизма. Если вы поставите ТА на две тысячи литров, то нагреватель просто не справиться с таким объёмом. Будьте объективны.

Теплоаккумулятор своими руками — описание и изготовление!

Самостоятельное изготовление теплоаккумулятора под силу каждому человеку, имеющему навыки работы с элементарными слесарными и хозяйственными инструментами. Для сборки такого агрегата не придется покупать какие-либо дорогостоящие детали и материалы. Комплектующие для самой простой модели можно найти в гараже либо кладовой любого запасливого и хозяйственного человека.

ТеплоаккумуляторТеплоаккумулятор

После изучения следующего руководства вы сможете самостоятельно изготовить теплоаккумулятор и подключить его к отопительной системе.

Устройство и особенности работы теплоаккумулятора

По своей конструкции типичный теплоаккумулятор является стальным баком с патрубками вверху и внизу, одновременно являющимися концами змеевика, изготовленного из медной трубки. Нижние патрубки соединяются с тепловым источником, верхние – с системой отопления. Внутри установки находится жидкость, которую потребитель может использовать для решения нужных ему задач.

Схема подключенияСхема подключения

Принцип работы агрегата построен на высокой теплоемкости воды. В целом механизм действия теплоаккумулятора можно описать так:

  • в боковые стенки емкости врезано две трубы. Через одну в бак поступает холодная вода от водопровода или из резервуаров, через вторую подогретый теплоноситель отводится в радиаторы отопления;
  • верхний конец змеевика, установленного в баке, соединяется с патрубком холодной воды котла, нижний – с патрубком горячей;
  • циркулируя через змеевик, горячая вода нагревает жидкость в баке. После выключения котла, вода в отопительных трубах начинает остывать, но продолжает циркулировать. При поступлении в теплоаккумулятор прохладная жидкость выталкивает накопленный там горячий теплоноситель в отопительную систему, благодаря чему обогрев помещений продолжается еще в течение некоторого времени (в зависимости от емкости накопителя) даже при выключенном котле.

Важно! Для обеспечения движения теплоносителя система укомплектовывается циркуляционным насосом.

Цены на теплоаккумуляторы для систем отопления

Теплоаккумуляторы для систем отопления

Ключевые функции теплонакопителей

Принцип работы теплоаккумулятораПринцип 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-500Бак-теплоаккумулятор для твёрдотопливного котла WIRBEL CAS-500
Устройство для эффективной работы твердотопливного котла и зарядки теплового аккумуляторного бакаУстройство для эффективной работы твердотопливного котла и зарядки теплового аккумуляторного бака
Схема установкиСхема установки

Сборка простого теплоаккумулятора

Простейший тепловой накопитель работает по принципу термоса. Стенки установки практически не проводят тепло и позволяют воде оставаться теплой в течение достаточно продолжительного времени.

Для сборки такого агрегата нам понадобятся следующие приспособления:

  • бак. Объем подбирайте индивидуально, по своим потребностям и возможностям. Объективный минимум – 150 л;
  • материал для теплоизоляции. Отлично подходит минеральная вата;
  • клейкая лента;
  • медные трубки для изготовления змеевика;
  • бетонная плита либо доски для опалубки и раствор для заливки.

Теплонакопитель можно собрать на основе железной бочки. Объем, как уже отмечалось, подбирается индивидуально, однако в использовании бака вместительностью меньше 150 л особого смысла нет.

Первый шаг

Подготавливаем бочку к дальнейшей работе. Если это старая емкость, тщательно очищаем ее от различных загрязнений и зачищаем следы коррозии.

Теплоаккумулятор, общий видТеплоаккумулятор, общий вид
Теплоаккумулятор, патрубки. 1 - система отопления. 2 - верхний змеевик. 3 - нижний змеевик. 4 - охлаждение ТА. 5 - группа безопасности. 6 - магниевый анодТеплоаккумулятор, патрубки. 1 — система отопления. 2 — верхний змеевик. 3 — нижний змеевик. 4 — охлаждение ТА. 5 — группа безопасности. 6 — магниевый анод
Теплоаккумулятор, патрубки с другой стороны. 1 - термометры Wats. 2 - твердотопливный котел. 3 - термодатчики для контроллера солнечных системТеплоаккумулятор, патрубки с другой стороны. 1 — термометры Wats. 2 — твердотопливный котел. 3 — термодатчики для контроллера солнечных систем

Второй шаг

Оборачиваем внешние стенки теплоизоляционным материалом. Хорошо подойдет минеральная вата. Окутанную теплоизоляцией бочку дополнительно обматываем скотчем в несколько слоев.

Третий шаг

Окутываем бак фольгированной пленкой. Для фиксации материала также используем клейкую ленту. При желании обшиваем изолированную конструкцию листовым металлом.

Четвертый шаг

Делаем змеевик, по которому будет транспортироваться теплоноситель. Для этого используем медную трубку длиной 8-15 м (зависит от объема выбранной бочки) и диаметром порядка 20-30 м. Сгибаем трубу в спираль и помещаем внутрь бака. Змеевик соединяется с котлом. В дальнейшем эта спираль будет нагреваться и отдавать полученное тепло воде в баке.

ТеплоаккумуляторТеплоаккумулятор
Змеевик - теплообменникЗмеевик — теплообменник
Трубы довольно неплохо зажимаются между шляпками саморезовТрубы довольно неплохо зажимаются между шляпками саморезов
Подключение теплообменникаПодключение теплообменника
Подключение теплообменникаПодключение теплообменника
Подключение теплообменникаПодключение теплообменника
Утепление теплоаккумулятораУтепление теплоаккумулятора

Пятый шаг

Делаем патрубки в боковых стенках накопителя. Через один патрубок в бак будет поступать холодная вода, через другой выходить горячая. Патрубки оснащаем кранами для быстрого перекрытия циркуляции воды.

Шестой шаг

Устанавливаем тепловой накопитель и выполняем его подключение.

Для лучшего понимания порядка подключения теплоаккумулятора смотрим на схему.

Важно! Бочку можно ставить только на плиту из бетона. Покупаем готовое изделие либо отливаем основание самостоятельно.

По рассмотренному способу выполняется подключение накопителя к системе обогрева, работающей с использованием 1 котла. В случае применения большего количества отопительных агрегатов, схема существенно усложнится. Систему придется оснастить датчиками давления и температуры, взрывным и предохранительным клапанами и т.д. К сборке подобного агрегата рекомендуется приступать только при наличии соответствующих навыков и должного опыта.

Использование теплоаккумулятора в разных системах обогрева

Схема ГВССхема ГВС

Теплоаккумуляторы эффективно показывают себя при использовании в самых разнообразных системах обогрева. При этом в каждом случае подобный накопитель позволяет существенно сэкономить на отоплении.

Чаще всего тепловыми аккумуляторами комплектуются системы твердотопливного обогрева. Установка будет способствовать более экономичному расходу топлива и эффективному обогреву, а также предотвратит преждевременный износ отопительных радиаторов.

Не лишним будет тепловой аккумулятор и в системе электрического отопления, в особенности в регионах с двойным тарифом за электричество. Ночью, когда электроэнергия продается потребителю по более доступной стоимости, аккумулятор будет накапливать тепло. Днем же можно будет на некоторое время выключить котел и топить силами теплоаккумулятора.

Используются накопители и в многоконтурных отопительных системах. Благодаря ним обеспечивается распределение теплоносителя между контурами. Монтаж патрубков может быть выполнен на разной высоте, что позволит получать воду, нагретую до разной температуры.

Несколько слов о модернизации

Схема подключенияСхема подключения

При необходимости собранный нами тепловой аккумулятор легко модернизируется. Существует несколько способов.

  1. Мы можем установить снизу дополнительный теплообменник, благодаря которому будет накапливаться энергия, получаемая солнечным коллектором. Актуально для современных систем, использующих энергию солнца для обогрева помещений.
  2. Мы можем разделить внутреннее пространство емкости на несколько сообщающихся секций, что обеспечит более выраженное расслоение воды по температурам. Актуально для многоконтурных систем.
  3. Мы можем немного увеличить бюджет и выполнить теплоизоляцию стенок бака пенополиуретаном вместо минеральной ваты. Этот материал позволит дополнительно уменьшить потери тепла.
  4. Мы можем увеличить количество патрубков и подключить накопитель тепла к более сложной системе обогрева, построенной на базе нескольких независимых контуров. Актуально для отопительных систем, обслуживающих большие дома с помощью котлов высокой мощности.
  5. Мы можем установить дополнительный теплообменник для накопления воды. Ее можно будет использовать для различных бытовых и хозяйственных нужд.

Солнечный коллекторСолнечный коллектор
Абсорбер частично выгнут буквой UАбсорбер частично выгнут буквой U
Практически замкнут в кольцоПрактически замкнут в кольцо
Общий вид готового теплообменника для самодельного теплоаккумулятораОбщий вид готового теплообменника для самодельного теплоаккумулятора

Теперь вы владеете всеми необходимыми знаниями для самостоятельной сборки, установки, подключения и модернизации теплового аккумулятора.

Удачной работы!

Видео – Теплоаккумулятор своими руками

 

Теплоаккумулятор Jaspi (л)Время нагрева (час.) при мощности        
20 кВт25 кВт30 кВт35 кВт40 кВт45 кВт50 кВт55 кВт60 кВт
500
10002,3
12002,82,2
15003,52,82,3
18003,42,82,42,1
20003,12,72,32,1
24003,22,82,52,22,0
30003,53,12,82,52,3
35003,33,02,7
40003,43,1
45003,5

накопительных нагревателей — какие?

Узнайте все, что вам нужно знать о накопительных нагревателях, в том числе, сколько они стоят и сколько вы можете сэкономить на счетах за электроэнергию.

Если вы используете тариф на время использования, например, Эконом 7 или Эконом 10, и используете электричество для отопления своего дома, обогреватель может помочь вам воспользоваться более низкими непиковыми тарифами на электроэнергию.

Здесь мы поможем вам решить, подходит ли вам нагреватель для хранения, какой тип выбрать и сколько вы можете ожидать заплатить за хорошую модель.

Ты слишком много платишь за свою энергию? Посмотрите, сможете ли вы сэкономить, сравнив цены на электроэнергию.

Нагреватели объяснены

Накопительные обогреватели — это электрические обогреватели, которые накапливают тепловую энергию, нагревая внутренние керамические кирпичи в течение ночи, а затем выделяют тепло, чтобы поддерживать тепло в вашем доме в течение дня.

Аккумулирующие нагреватели в первую очередь предназначены для клиентов, которые имеют тариф на электроэнергию во время использования, такой как Экономика 7, и платят более низкую цену за свою энергию за ночь (обычно с 12:00 до 7:00).Использование накопительного обогревателя позволяет клиентам по этим тарифам использовать более дешевое непиковое электричество для отопления своего дома в течение дня.

Поскольку электричество дороже, чем газ, накопительные нагреватели действительно рентабельны, только если у вас нет сетевого газа.

Стоимость накопительных обогревателей

Аккумулирующие нагреватели существенно различаются по цене, в зависимости от того, какой тип вы выбираете и какую марку вы выбираете. Дешевле, более простые модели можно купить всего за £ 150, но большинство стоит £ 200 и выше.

Более дорогие накопительные нагреватели имеют тенденцию быть более эффективными и, следовательно, будут стоить дешевле в эксплуатации.

Типы накопительных нагревателей

Раньше было пять основных типов накопительных нагревателей, и они различались по уровню контроля, энергоэффективности и цене.

Однако с 1 января 2018 года все вновь изготовленные накопительные нагреватели должны иметь определенные характеристики, чтобы они соответствовали требованиям Lot20, части Европейской директивы по экодизайну. По сути, это означает, что все накопительные нагреватели, которые вы можете купить, работают по сути одинаково.

Все новые электрические накопительные нагреватели должны соответствовать минимальному показателю энергоэффективности 38% для тепловой мощности свыше 250 Вт. Для этого производители добавляют к своим обогревателям следующее:

  • Цифровые программисты
  • Открытое окно датчиков
  • Электронный контроль температуры в помещении
  • Wi-Fi контролирует

Вообще говоря, чем больше вы тратите на обогреватель, тем больше функций будет иметь ваша модель. Основные бренды включают Creda, Dimplex, Elnur, Heatstore, Stiebel Eltron и Vent Axia.

В большинстве современных моделей есть встроенные термостаты, а во многих также есть «вентилятор», который помогает распределить тепло по всему помещению. Также обратите внимание на удерживающий тепло корпус и «интеллектуальный заряд».

Ассортимент нагревателей Dimplex Quantum претендует на звание «самого передового, экономичного непикового» нагревателя. Вы можете запрограммировать его с ежедневным и еженедельным расписанием (или выбрать один из трех предустановленных профилей), используя его ЖК-экран, который для ясности имеет цветовую кодировку. Вы можете установить комнатную температуру, в то время как контроллер iQ контролирует комнату и изучает ваши привычки, чтобы она могла адаптироваться к вашим движениям.Он также имеет вентилятор, термостат, чтобы вы могли установить комнатную температуру, блокировку от детей и функцию повышения, если вам нужна прямая жара. Это стоит около 800 фунтов стерлингов.

Следующие типы накопительных нагревателей вряд ли появятся в продаже, но они могут уже быть у вас дома.

Аккумуляторный нагрев стоит

Вы должны убедиться, что ваш электронагреватель установлен квалифицированным электриком. Цены могут варьироваться, поэтому убедитесь, что вы всегда получаете как минимум три цитаты. Вы можете найти рекомендуемого электрика, который прошел наши строгие проверки, посетив Which? Доверенные трейдеры.

Установка запасного нагревателя для хранения обычно стоит от 70 фунтов стерлингов, если имеется существующая проводка (не включая стоимость нового нагревателя). Это будет стоить дороже, если это новая установка, так как это потребует новой проводки. Цены также варьируются в зависимости от местоположения.

Характеристики нагревателя накопителя

Общие полезные функции накопительного нагревателя включают в себя:

  • Функция повышения: Некоторые накопительные нагреватели имеют функцию повышения, чтобы дать вам дополнительное тепло, когда вам это нужно.
  • Помощь вентилятора: ряд накопительных обогревателей, как правило, моделей с автоматическим комбинированием, включают бесшумный вентилятор, который помогает более эффективно отводить тепло
  • Программируемые графики обогрева: более новые накопительные обогреватели должны иметь элементы управления, позволяющие вам устанавливать индивидуальные схемы обогрева для разных дней и времени, так же, как если бы вы использовали газовое центральное отопление
  • Размер: Если ваша комната большая или не очень энергоэффективная, вам может потребоваться больший нагреватель для эффективного обогрева
  • Термостатическое управление: новых обогревателей оснащены термостатическим регулятором, который нагревает помещение до выбранной вами температуры
  • Пульты дистанционного управления: некоторыми моделями можно управлять с помощью пульта или смартфона через Wi-Fi

Ручные накопительные обогреватели являются самыми дешевыми в покупке, но они очень простые и не позволяют много контролировать тепловую мощность.Это может привести к потере энергии и перегреву помещений.

Из-за этого ручные накопительные нагреватели постепенно прекращаются и заменяются на более эффективные, автоматические модели. Автоматический накопительный нагреватель сэкономит вам деньги в долгосрочной перспективе, но обычно стоит дороже.

Плюсы накопительных обогревателей

Основным преимуществом накопительных нагревателей является то, что они дешевле в эксплуатации по сравнению с другими типами электрических нагревателей, которые работают в часы пик.

Хотя старые модели накопительных нагревателей могут быть более объемными и довольно простыми, модели, изготовленные с 2018 года, должны иметь встроенные программируемые таймеры, вентиляторы и термостаты.Это позволяет им выделять тепло по мере необходимости, в зависимости от температуры наружного воздуха. Это означает, что вы будете использовать меньше энергии для перегрева вашего дома, когда он вам не нужен, и должны помочь вам сэкономить на счетах.

Аккумуляторные нагреватели исключительно тихие, даже те, которые используют вентилятор.

Они просты в установке, будут установлены на вашей стене и могут быть расположены в любом месте, где можно подключить электричество.

Минусы накопительных нагревателей

Накопительные нагреватели используют электричество, которое дороже газа, поэтому обычно используется только домохозяйствами, которые находятся за пределами газовой сети.

Если в некоторых базовых моделях избыточное тепло сохраняется, оно все равно будет выделяться, что может привести к перегреву помещений.

К вечеру большая часть накопленного тепла обычно выделяется, хотя на самом деле это обычно происходит, когда большинство домохозяйств хотят повысить температуру.

Нужен дополнительный прилив тепла? Мы раскрываем лучших электрических обогревателей .

Аккумуляторы и солнечные батареи

Если у вас есть солнечные батареи, экономия, которую вы получаете от использования электроэнергии, которую вы производите, всегда перевесит деньги, которые вы заработаете, экспортируя их обратно в сеть.

Имея это в виду, стоит использовать электричество, которое вырабатывают ваши панели, чтобы заряжать накопительные нагреватели в течение дня и выпускать тепло вечером.

Узнайте больше о солнечных панелях.

Аккумуляторы и асбест

В некоторых старых накопительных нагревателях, обычно производимых до 1974 года, для снижения риска возгорания использовался асбест. Если нагреватель, содержащий асбест, поврежден, он может выделять асбестовую пыль и волокна. Вдыхание этих волокон может привести к повреждению легких и, как известно, способствует развитию ряда раковых заболеваний.

Если у вас в доме есть старый накопительный обогреватель и вы обеспокоены тем, что он содержит асбест, вы можете посетить Storageheaters.com для получения полного списка затронутых моделей.

Если вы обнаружите, что ваш накопительный нагреватель содержит асбест, вам следует обратиться в местный совет, чтобы организовать безопасное удаление нагревателя.

Хранение теплового тепла в материалах

Тепловая энергия может храниться как материальное тепло в материале путем повышения его температуры.

Накопленное тепло или энергию можно рассчитать как

q = Vρc p dt

= mc p dt (1)

, где

q = накопленное разумное тепло в материале (J, Btu)

V = объем вещества (м 3 , футы 3 )

ρ = плотность вещества (кг / м 3 , фунт / фут 3 )

м = масса вещества (кг, фунт)

c p = удельная теплоемкость вещества (Дж / кг o C, Btu / фунт o F)

dt = изменение температуры ( o C, o F )

  • 1 кДж / (кг К) = 0.2389 БТЕ / (фунт м o F)

Пример — тепловая энергия, хранящаяся в граните

Тепло сохраняется в граните 2 м 3 , нагревая его от 20 o C до 40 или С . Плотность гранита составляет 2400 кг / м 3 , а удельная теплоемкость гранита составляет 790 Дж / кг o C . Тепловая тепловая энергия, запасенная в граните, может быть рассчитана как

q = (2 м 3 ) (2400 кг / м 3 ) (790 Дж / кг o C) ((40 o ) C) — (20 или C))

= 75840 кДж

q кВтч = (75840 кДж) / (3600 с / ч)

= 21 кВтч

Пример — Тепло, необходимое для нагрева воды

Тепло, необходимое для нагрева 1 фунт воды на 1 градус Фаренгейта , когда удельная теплоемкость воды составляет 1.0 БТЕ / фунт o F можно рассчитать как

q = (1 фунт) (1,0 БТЕ / фунт o F) (1 o F )

= 1 Btu

Калькулятор накопления тепловой тепловой энергии

Этот калькулятор можно использовать для расчета количества тепловой энергии, хранящейся в веществе. Калькулятор можно использовать как для единиц СИ, так и для имперских единиц, если использование единиц является единообразным.

V — объем вещества (м 3 , футы 3 )

ρ — плотность вещества (кг / м 3 , фунт / фут 3 )

c p — удельная теплоемкость вещества (Дж / кг o C, БТЕ / фунт o F)

dt — изменение температуры ( o C, o F )

.

Сезонное хранение солнечной тепловой энергии

1. Введение

Хранение солнечной тепловой энергии не является новой концепцией. Ранние люди осознали изобилие солнечной энергии и разработали множество методов захвата этой энергии. Греческий историк Ксенофонт писал об учении Сократа о том, как ориентировать здание так, чтобы оно было теплым зимой и прохладным летом. Римляне ставили много окон на южной стене бани, чтобы обеспечить обогрев их ванн и уменьшить количество топлива, необходимого для их гипокауста или пожара в бане.Коренные американцы в каньонах Аризоны использовали обнажение каньона с южной скалы, чтобы обогреть свои незамысловатые здания, искусно расположенные в пещерах, так, чтобы низкий угол зимнего Солнца пропитывал их солнечным светом, тогда как угол лета был бы выше и, следовательно, отсутствовал в зданиях [ 1].

Хранение тепловой энергии относится ко времени, когда люди жили в естественных пещерах. Пещеры теплые зимой и холодные летом по сравнению с наружной температурой. Обитатели пещер воспользовались преимуществами глубоких подземных пещер (глубоких подземных сооружений), в которых колебания температуры практически не зависят от времени года.Исторические записи показывают, что самой старой формой накопления тепловой энергии является сбор льда и снега для сохранения продуктов питания, холодных напитков и охлаждения помещений [2]. Исторические записи также показывают, что римляне, греки и китайцы исследовали использование изогнутых зеркал, чтобы концентрировать солнечные лучи, которые могут вызвать пламя и взрыв. Согласно греческой легенде, в 212 г. до н. Э. Архимед использовал зеркала для фокусирования солнечного света на кораблях вторжения римского флота в Сиракузах и уничтожил флот [3].

В 1767 году французско-швейцарский ученый Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый улавливатель солнечного тепла, который можно было использовать для приготовления пищи [4].Спустя более 100 лет, в 1876 году, Адамс изобрел первое серийное солнечное тепловое устройство, добавив концентратор солнечной энергии в ловушку солнечного тепла де Соссюра [5, 6]. Восьмиугольная солнечная печь Адамса, оборудованная восемью солнечными концентраторами (зеркалами), по сообщениям, за 2 часа приготовила рацион для семи солдат. Адамс сообщил: «Пайки семи солдат, состоящие из мяса и овощей, тщательно готовятся им за два часа, в январе, самом холодном месяце года в Бомбее, и мужчины заявляют, что еда готовится гораздо лучше, чем в обычная манера.Его солнечная печь была массово произведена в Индии и стала довольно популярной. В Соединенных Штатах солнечная печь Адамса стала популярным продуктом для кемпинга и образовательным устройством для студентов-подростков [3, 6]. Приготовление пищи для солдат с использованием солнечной печи было также концепцией, которую исследовал французский математик Мушо. Спустя год после изобретения Адамса, в 1877 году Мушо изобрел солнечные плиты для французских солдат в Алжире, включая блестящий металлический конус, сделанный из 105,5 ° сечения круга. Он построил отдельную плиту для приготовления овощей и написал первую книгу о солнечной энергии и ее промышленном применении [7].Ван Сипин, участник Первой всемирной конференции по приготовлению на солнечной кухне, состоявшейся в Стоктоне, штат Калифорния, в 1992 году, представил использование солнечной кулинарии в Китае, при этом утка по-пекински жарилась в утином магазине Сяо, Чэнду, Китай, в 1894 году [8]. ,

Кларенсу Кемпу был приписан первый коммерчески доступный солнечный водонагреватель, запатентованный в 1891 году, под названием «Climax» [9]. Изобретение Climax привело к краткому взрыву в солнечных тепловых технологиях. В 1909 году Уильям Бэйли разработал солнечный водонагреватель, который называется «День и ночь», в котором нагреватель отделен от изолированного резервуара для увеличения продолжительности использования горячей воды [9].Первая коммерческая солнечная энергетическая установка производила пар и была построена в Египте в 1913 году, при этом ее стоимость энергии сравнивалась с углем в то время [10]. Однако эти более ранние технологии основывались на суточных солнечных циклах и могли использоваться только в климате, где температура окружающей среды оставалась выше нуля.

Хранение тепловой энергии стало быстрорастущим бизнесом. «Я ожидаю, что тепловая энергия будет больше, чем у батарей, — сказал генеральный директор Ice Energy Майк Хопкинс, — потому что тепловые нагрузки — это большие нагрузки.Это проблемные нагрузки; они являются нагрузками, которые не пригодны для хранения электроэнергии ». [11]. Сегодня большинство технологий накопления тепловой энергии либо полностью разработано и коммерциализировано, либо находится на стадии демонстрации и разработки. На рисунке 1 показаны этапы различных технологий хранения тепла. На рисунке 1 показаны некоторые ключевые технологии с точки зрения связанных с ними начальных требований к капитальным вложениям и технологического риска в сравнении с их текущей фазой развития (т.е.этапы демонстрации и развертывания или коммерциализации) [12].

Рисунок 1.

Зрелость технологий накопления тепловой энергии [12].

Современные исследования и разработки в области накопления тепловой энергии в основном направлены на снижение затрат на хранение с высокой плотностью, включая разработку термохимических процессов и материалов с фазовым переходом (PCM) [12]. Тепловые системы хранения нашли применение во всем мире. Например, резервуары для хранения холодной воды были установлены по всему миру для обеспечения охлаждающей способности в коммерческих и промышленных условиях.В Канаде, Германии, Нидерландах и Швеции хранилища тепловой энергии в скважинах и водоносных горизонтах обеспечивают как нагрев, так и охлаждение. В Соединенных Штатах примерно 1 ГВт хранилища льда было использовано для снижения пикового потребления энергии в районах с большим количеством дней с охлаждением [13]. Системы скважин и водоносных горизонтов были успешно развернуты в коммерческом масштабе для обеспечения теплопроизводительности в Нидерландах, Норвегии и Канаде. Солнечное сообщество Drake Landing в Окотоксе, Канада, является первой крупной реализацией сезонного накопления тепловой энергии в скважинах для централизованного теплоснабжения в Северной Америке.Это также первая система такого типа, предназначенная для обеспечения более чем 90% отопления помещений солнечной энергией, и первая, работающая в таком холодном климате [14].

Термохимическое хранилище, в котором обратимые химические реакции используются для хранения охлаждающей способности в форме химических соединений, в настоящее время находится в центре внимания в проектах НИОКР по накоплению тепла благодаря своей способности достигать плотности накопления энергии в 5–20 раз больше, чем разумное хранение [12].

В следующем разделе основное внимание будет уделено технологиям аккумулирования теплоты с ощутимой и скрытой теплотой (т.е.технологии, которые были полностью разработаны и коммерциализированы или находятся на стадии демонстрации и развертывания).

2. Типы технологий аккумулирования тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии — это технология, которая позволяет передавать тепло и хранить его в подходящей среде. Это технология, которая позволяет накапливать тепловую энергию путем нагревания или охлаждения среды хранения для последующего использования для отопления или охлаждения, а также для выработки электроэнергии. Сезонное хранение определяется как способность накапливать энергию в течение нескольких дней, недель или месяцев, чтобы компенсировать более длительные сбои в подаче или сезонную изменчивость на стороне спроса и предложения энергосистемы (например,например, хранение тепла летом для использования зимой через подземные системы хранения тепловой энергии) [12]. Преимущества использования накопителей тепловой энергии включают в себя: повышение общей эффективности, повышение надежности, повышение экономичности и уменьшение загрязнения окружающей среды (снижение выбросов углекислого газа — CO 2 ) [15]. Выбор запаса тепловой энергии зависит от требуемой продолжительности хранения, то есть суточного или сезонного, экономической жизнеспособности, типа источника энергии и условий эксплуатации.Накопители тепловой энергии могут быть классифицированы в зависимости от типа применения, типа конечного пользователя, типа технологии и типа используемого материала для хранения. На рисунке 2 показана классификация в деталях.

Рисунок 2.

Классификация систем аккумулирования тепловой энергии.

Основными характеристиками системы аккумулирования тепловой энергии являются: (а) ее производительность на единицу объема; (б) температурный диапазон, в котором он работает, то есть температура, при которой тепло добавляется и удаляется из системы; (c) средства добавления или отвода тепла и связанные с ним разности температур; (г) температурное расслоение в хранилище; (e) требования к мощности для добавления или отвода тепла; (f) контейнеры, резервуары или другие конструктивные элементы, связанные с системой хранения; (ж) средства контроля тепловых потерь от системы хранения и (з) его стоимость [16].

2.1 Система накопления разумного тепла

Наиболее распространенным типом накопления тепловой энергии является накопитель разумного тепла, в котором используются как твердые, так и жидкие носители, такие как камень, песок, глина, земля, вода и нефть. При разумном накоплении тепла происходит изменение температуры среды, то есть температура либо повышается, либо понижается. Тепло отводится из хранилища всякий раз, когда требуется удовлетворить нагрузку, такую ​​как отопление помещения или для горячей воды для бытового потребления. Отвод тепла из хранилища снижает его температуру.Несмотря на то, что существует множество вариантов вариантов, разумный носитель тепла всегда состоит из: изолированного контейнера, носителя тепла и средств для добавления и отвода тепла.

В разумных системах аккумулирования горячего тепла тепло добавляется (т.е. температура повышается) к аккумулирующей среде, тогда как в разумных системах аккумулирования тепла тепло отводится, таким образом понижая температуру. В системе SHS количество хранимой энергии пропорционально разнице между входной и выходной температурами носителя, массой носителя и теплоемкостью среды [17].Фундаментальное уравнение для расчета количества тепла, накопленного для систем аккумулирования ощутимого тепла (SHS), равно

Q = mCpΔT = ρVCpΔTE1

, где Q — количество хранимого тепла [Дж], м, — масса хранилища. материал [кг], Cp — удельная теплоемкость материала хранения [Дж / кг К], ΔT — изменение температуры [° C], ρ — плотность материала хранения [кг / м 3 ] и V — объем материала хранения [м 3 ].

Потери тепла от разумного накопителя тепла прямо пропорциональны разности температур между хранилищем и окружающей средой. Важным соображением в разумных системах аккумулирования тепла является скорость, с которой тепло может выделяться и извлекаться, что является функцией температуропроводности. Теплопроводность, которая является материальным свойством теплового хранилища, влияет на скорость зарядки и разрядки хранилища. Эта связь выражается следующим уравнением [18].

λ = ρCpαE2

, где λ — теплопроводность [Вт / м К], ρ — плотность [кг / м 3 ], Cp — удельная теплоемкость [Дж / кг К] и α — коэффициент температуропроводности [м 2 / с].

Чтобы система накопления тепловой энергии была эффективной, должны быть выполнены определенные требования. Требования к обычным чувствительным теплоаккумулирующим материалам — высокая плотность энергии (высокая плотность и удельная теплоемкость) и хорошая теплопроводность (для жилых помещений обычно выше 0).3 Вт / м · К). Способность хранения тепла в данном контейнере зависит от величины количества ρCp , теплоемкости [19]. Тепловые емкости различных материалов для хранения приведены в таблицах 1 и 2. Наиболее распространенные разумные среды для хранения включают камни, песок, гальку, упакованные в изолированный контейнер. Эти материалы имеют ряд преимуществ, включая нетоксичность, невоспламеняемость и более низкую цену. Материалы для хранения тепла должны быть дешевыми и иметь хорошую теплоемкость. В таблице 3 перечислены недорогие теплоаккумулирующие материалы, стоимость которых варьируется от 0.От 5 до 5,00 $ / кг. Единственным недостатком этих материалов является их низкая теплоемкость, составляющая от 0,56 до 1,3 кДж / (кг ° C), что может сделать единицу хранения нереально большой [20]. Например, одним из недостатков камня, песка и гальки является то, что требуется большее количество из-за их меньшей способности аккумулировать тепло. Однако стоимость носителей на единицу хранимой энергии все еще приемлема для камней [18].

Таблица 1.

Тепловые мощности отдельных твердых материалов хранения [19, 20].

Таблица 2.

Тепловые емкости отдельных жидких материалов хранения [20].

Таблица 3.

Твердотельные недорогие чувствительные теплоаккумулирующие материалы [20].

2.1.1 Система хранения твердого твердого тепла

Система хранения твердого твердого тепла имеет преимущества перед жидкостями благодаря более высокому изменению температуры. То есть твердотельные накопители имеют преимущество, заключающееся в возможности более высоких температурных изменений по сравнению с жидкостями. Следует отметить, что при разумном накоплении тепла не происходит фазового изменения среды хранения, будь то жидкая или твердая.Чувствительные твердые носители не плавятся, поэтому не текут, следовательно, утечки из контейнера для хранения не ожидается. Рисунок 3 иллюстрирует использование твердого разумного накопителя тепла. Схема показывает теплоаккумулятор с песчаной подстилкой под полом гаража. Под гаражной плитой находится солнечное тепловое хранилище, которое содержит мелкий песок и гравийный карьер в качестве теплоносителя. Песчаный слой был окаймлен снизу с помощью 20 см (8 ″) пенополистирола, что привело к тепловому удельному сопротивлению RSI-5.64 (US R-32) изоляционный барьер между песчаным слоем и грунтом. Четыре стороны песчаного слоя были изолированы с помощью 0,2 м (8 ″) панели пенополистирола с обеих сторон бетонной фундаментной стены с заливкой 0,2 м (8 ″) в общей сложности 0,4 м (16 ″) изоляционной пены. Солнечные коллекторы нагревают водно-гликолевый раствор, который при нормальной работе проходит через теплообменник для нагрева резервуара горячей воды для бытового потребления. Когда резервуар для горячей воды для бытового потребления не требует тепла, избыток тепла направляется в песчаное русло (теплоаккумулятор) под полом гаража для отопления [21].Система имеет двойное назначение: отопление гаража с помощью радиации и конвекции и нагрев воды для бытового потребления.

Рисунок 3.

Схема вакуумных трубчатых солнечных коллекторов и накопителя тепла.

Приблизительное эмпирическое правило для определения размеров должно использовать 300–500 кг породы на квадратный метр площади коллектора для отопления помещений [18]. Каменные или галечные хранилища могут также использоваться для гораздо более высоких температур до 1000 ° C [18].

2.1.2 Система хранения жидкого теплосодержащего газа

Для систем аккумулирования жидкого тепла температурный диапазон, который может быть достигнут, ограничен их температурой кипения.Тип жидкости, используемой в качестве носителя, определяется желаемой температурой хранения. Вода с ее высокой удельной теплоемкостью является наиболее распространенной средой хранения при температуре ниже 100 ° C. Экономичное крупномасштабное хранение тепла возможно при использовании естественных замкнутых подземных вод, таких как водоносные горизонты. Горячая вода перекачивается для хранения в таких водоносных слоях, вытесняя тем самым существующие холодные грунтовые воды. Это снизило бы стоимость теплового хранилища, поскольку единственными необходимыми инвестициями являются затраты на буровые отверстия для закачки и забора воды.

Если вода используется для более высоких температур (температура выше 100 ° C), она должна находиться под давлением, увеличивая стоимость; для такого случая ограничение воды является критической точкой, то есть 374 ° C [17]. Органические жидкости и высокомолекулярные масла также эффективны при более высокой температуре. Хотя на рынке есть масла, такие как Terminol, которые можно использовать без давления в диапазоне от -10 до 320 ° C, они имеют недостаток низкой теплоемкости (2.3 кДж / кг К против 4,19 кДж / кг К для воды). Кроме того, масла подвержены высокотемпературному крекингу, полимеризации и образованию летучих продуктов. Преимущества и недостатки воды в качестве накопителя перечислены ниже [18].

Преимущества:

  1. Относительно недорогой, легко доступный, нетоксичный и негорючий,

  2. Вода имеет сравнительно высокую удельную теплоемкость и высокую плотность,

  3. Теплообменники можно избежать, если в качестве теплоносителя используется вода в коллекторе

  4. Возможна одновременная зарядка и разгрузка резервуара для хранения, и

  5. Регулировка и управление водной системой являются переменными и гибкими.

Недостатки:

  1. Замораживание или кипячение,

  2. Коррозионные свойства и

  3. Рабочие температуры не должны превышать 100 ° C.

Eq. (3) можно использовать для прогнозирования температуры хранения воды как функции времени [20].

ts = ti + ΔτmCpQu-QL-UsAstf-taE3

, где Qu — скорость добавления энергии к тепловому коллектору, QL — скорость отвода энергии из коллектора, Us — коэффициент потери тепла емкости для хранения, Так как — это площадь поверхности емкости для хранения, tf, — это конечная температура, т.а. — это температура окружающей среды для емкости, а τ — — это время.

На рисунке 4 показана схема типичной системы хранения воды в резервуаре. В этой системе солнечный тепловой коллектор подает подводимое тепло, а нагрузка подается посредством циркуляции горячей воды через теплообменник. На показанной схеме система также может применяться для бытовых систем горячего водоснабжения, поскольку теплообменник предотвращает загрязнение питьевой воды в бытовых системах горячего водоснабжения.

Рисунок 4.

Схема типичного водяного накопительного бака.

Системы хранения горячей воды, используемые в качестве буферного хранилища для горячего водоснабжения, обычно находятся в диапазоне от 500 л до нескольких кубометров.Эта технология также используется в солнечных тепловых установках для горячего водоснабжения в сочетании с системами отопления зданий [20].

2.1.3 Разумная система холодного хранения

В разумных системах холодного хранения тепло отводится из среды хранения. Это имеет эффект понижения температуры носителя. Холодное хранение может снизить эксплуатационные расходы. Это возможно при использовании более дешевого тарифа на электроэнергию в непиковые часы. Холодильная камера может состоять из холодных камней или охлажденной воды.Система кондиционирования воздуха может быть укомплектована радиаторами, которые можно использовать в качестве холодильных камер, на которые отводится тепло. Соединение чиллеров с холодильными камерами является более эффективным способом их использования, хотя первоначальные инвестиционные затраты выше по сравнению с обычными системами кондиционирования воздуха без холодного хранения. Если вода используется в качестве средства холодного хранения, требуется большое количество, поскольку ее полезная температура несколько ограничена по сравнению с тем, когда она используется в качестве разумного хранения в горячем состоянии.

2.2 Скрытая система аккумулирования тепла

Скрытая система аккумулирования тепла (LHS) основана на поглощении или выделении тепла, когда материал-накопитель претерпевает изменение фазы от твердого к жидкому или от жидкости к газу или наоборот.Скрытая тепловая система хранения тепла включает в себя хранение энергии в материалах с фазовым переходом (PCM). Например, когда твердый материал плавится и превращается в жидкость, он поглощает тепло, не изменяя свою температуру. Тепловая энергия накапливается и выделяется при изменении фазы материала. Преимущество скрытого накопления тепла заключается в его компактности, то есть для данного количества накопленного тепла объем РСМ значительно меньше, чем объем накопления ощутимого тепла. Это приводит к использованию меньшего количества изоляционного материала и применимости в местах, где доступность пространства является проблемой.Другое преимущество материалов с фазовым переходом состоит в том, что они могут применяться там, где существует строгая рабочая температура, поскольку хранилище может работать в изотермических условиях. Скрытые системы аккумулирования тепла также имеют преимущество, заключающееся в высокой плотности хранения. Кроме того, небольшие изменения температуры в LHS приводят к накоплению большого количества тепла.

Сравнение систем LHS и SHS показывает, что с системами LHS можно получить примерно в 5–10 раз более высокие плотности хранения [18]. Объем хранения ПКМ в два раза меньше, чем у воды.Системы LHS также могут использоваться в широком диапазоне температур [18]. Изменение фазы может быть от твердого к твердому, от твердого к жидкому, от твердого к газу, от жидкого к газу и наоборот. Когда происходит изменение фазы от твердого к твердому, тепло сохраняется при переходе материала из одного кристаллического устройства в другое. Твердотельные переходы имеют низкую скрытую теплоту. Превращение твердого вещества в газ и жидкость в газ связано с более высоким скрытым тепловыделением и большим изменением объема; однако большое изменение в объеме является проблемой, поскольку требуется огромный контейнер, что делает систему более сложной и непрактичной.В результате наиболее выгодным изменением фазы является переход из твердого состояния в жидкое (небольшое изменение в объеме), хотя переходы из твердого состояния в жидкое имеют низкую скрытую теплоту по сравнению с жидкостью в газ. Твердофазные материалы с фазовым переходом являются экономически эффективными в качестве среды для аккумулирования тепловой энергии.

Поскольку сами PCM нельзя использовать в качестве теплоносителя, необходимо использовать отдельную теплопередающую среду с теплообменником между ними для передачи энергии от источника к PCM и от PCM к нагрузке.Используемый теплообменник должен быть спроектирован специально с учетом низкой температуропроводности ПКМ в целом. Как правило, требуется, чтобы контейнер PCM был совместим с PCM и мог обрабатывать изменения объема.

Емкость системы LHS со средой PCM определяется как [22]:

Q = mCspTm-Ti + amΔhm + ClpTf-TmE4

, где am — расплавленная фракция, Clp — средняя удельная теплоемкость между Tm и Tf [Дж / кг K], Csp — это средняя удельная теплоемкость между Ti и Tm [кДж / кг K], Δhm — теплота плавления на единицу массы [Дж / кг], m, — масса теплоносителя [кг], Q — количество накопленного тепла [Дж], Tf — конечная температура [° C], Ti — начальная температура [° C] и Tm — температура плавления [° С].

Когда материал с фазовым переходом нагревается, первоначально он ведет себя как накопление разумной тепловой энергии, и происходит изменение температуры. То есть в начале температура ПКМ начинает повышаться (рисунок 5). Как только температура перехода с фазовым переходом достигнута, PCM продолжает поглощать тепло, не меняя свою температуру. ПКМ начинает плавиться и переходить из твердой в жидкую фазу. Тепло, поглощаемое при постоянной температуре, называется скрытой теплотой фазового перехода.На фиг.5 показан процесс перехода из твердой жидкости. Из рисунка 5 видно, что процесс фазового превращения происходит при постоянной температуре, а количество тепла, необходимое для осуществления этого процесса, известно как скрытое тепло. Энтальпия фазового перехода ПКМ обычно намного выше (в 100–200 раз), чем разумное тепло, следовательно, скрытые тепловые хранилища имеют гораздо более высокую плотность хранения, чем разумные тепловые хранилища [23].

Рис. 5.

Латентное накопление энергии для изменения фазы твердого тела и жидкости.

В таблице 4 приведены теплофизические свойства доступных коммерческих ПКМ: органических, неорганических солей и эвтектик. Ни один материал не может обладать всеми необходимыми свойствами для идеальной среды для аккумулирования тепла. Поэтому на практике используется доступный материал, и дизайнеры пытаются компенсировать плохие физические свойства адекватным дизайном системы.

Таблица 4.

Свойства некоторых коммерческих материалов PCM: органические, неорганические ламели и эвтектики [24, 25].

2.3 Классификация PCM

Многие материалы с фазовым переходом доступны в любом необходимом температурном диапазоне. PCM обычно делятся на три основные категории: органические PCM, неорганические PCM и эвтектики органических и неорганических соединений. Подробная классификация PCMs показана на рисунке 6. На рисунке 7 показан типичный диапазон энтальпии плавления и температуры плавления общих классов материалов, используемых в качестве PCM.

Рисунок 6.

Классификация ПКМ [22].

Рисунок 7.

Классы материалов, которые могут быть использованы в качестве ПКМ, и их типичный диапазон температуры плавления и энтальпии плавления [26].

2.3.1 Органические ПКМ

Органические ПКМ имеют несколько характеристик, которые делают их полезными для накопления скрытого тепла. Они химически стабильны, чем неорганические ПКМ. Было обнаружено, что они совместимы и пригодны для поглощения различными строительными материалами. Одним из недостатков органических соединений является их первоначальная стоимость, которая выше, чем у неорганических ПКМ [27].Однако установленная стоимость органических ПКМ конкурентоспособна по сравнению с неорганическими ПКМ. Органические ПКМ легковоспламеняющиеся и могут образовывать вредные пары при сгорании, что нежелательно. Также было обнаружено, что они реагируют с продуктами гидратации в бетоне. Таблица 5 суммирует преимущества и недостатки органических и неорганических ПКМ.

Таблица 5.

Сравнение органических и неорганических материалов для хранения тепла [26, 28].

2.3.2 Неорганические ПКМ

Неорганические ПКМ далее классифицируются как соли, гидраты солей и металлы.В целом, неорганические ПКМ обладают удвоенной теплоемкостью на единицу объема по сравнению с органическими ПКМ. Они имеют более высокую теплопроводность, более высокую рабочую температуру и более низкую стоимость по сравнению с органическими материалами с фазовым переходом [27]. Преимущества этих материалов: высокие значения скрытой теплоты, легковоспламеняемость, низкая стоимость и доступность. Однако неорганические ПКМ вызывают коррозию, что приводит к короткому сроку службы системы и более высокой стоимости [29]. Соли и гидраты солей могут страдать от фазовой сегрегации и переохлаждения, которые будут обратимо влиять на емкость накопления энергии [30].Высокая плотность хранения солевых гидратных материалов трудна для поддержания и обычно уменьшается при циклировании. С другой стороны, металлы и металлические сплавы не страдают от фазовой сегрегации и переохлаждения, поэтому они имеют потенциал для высокотемпературных применений [31]. Переохлаждение (также называемое переохлаждением) — это процесс охлаждения жидкости ниже ее точки замерзания без превращения жидкости в твердое вещество. Это означает, что температура значительно ниже температуры плавления должна достигаться до тех пор, пока РСМ не начнет затвердевать и выделять тепло.Если эта температура не будет достигнута, PCM вообще не затвердеет и, следовательно, сохранит только ощутимое тепло [26]. Рисунок 8 иллюстрирует процесс нагрева / плавления и охлаждения / отверждения, включая переохлаждение.

Рисунок 8.

Схема изменения температуры при плавлении и затвердевании ПКМ с переохлаждением (переохлаждением).

Самым известным ПКМ является вода, и она используется для холодного хранения более 2000 лет [26]. В настоящее время холодное хранение со льдом является современным.Для температур ниже 0 ° С обычно используются водно-солевые растворы эвтектического состава [26].

2.3.3 Эвтектические РСМ

Эвтектические композиции представляют собой смеси двух или более компонентов, которые одновременно затвердевают из жидкости при минимальной температуре замерзания [26]. Поэтому ни одна из фаз не может опускаться из-за разной плотности. Эвтектические композиции не разделяются во время процесса плавления и замораживания, потому что они замерзают до дружественной смеси кристаллов [32]. Переохлаждение наблюдается во многих эвтектических растворах [33].Кроме того, некоторые эвтектические растворы могут быть подвержены микробиологической атаке; следовательно, они должны быть защищены биоцидами [34]. Сообщалось, что эвтектические смеси жирных кислот и спирта имеют подходящую температуру фазового перехода, высокую скрытую теплоту, более низкую цену и потенциал в качестве теплоаккумулирующих материалов для накопления энергии в зданиях [35].

2.4 Выбор подходящего PCM

PCM, который будет использоваться при проектировании систем хранения тепла, должен обладать желаемыми теплофизическими, кинетическими и химическими свойствами [22].Что касается тепловых свойств, то при выборе PCM для данного применения рабочая температура нагрева или охлаждения должна соответствовать температуре перехода PCM. Скрытая теплота должна быть настолько высокой, насколько это возможно, особенно в объемном выражении, чтобы минимизировать физический размер накопителя тепла. Следующие термические свойства необходимо учитывать.

  1. Подходящая температура фазового перехода,

  2. Высокая скрытая теплота перехода и

  3. Хорошая теплопередача.

Фазовая стабильность при замораживании / плавлении помогает в настройке накопления тепла. Высокая плотность желательна для достижения меньшего размера хранилища. Небольшие изменения объема во время фазового превращения и небольшое давление пара при рабочих температурах помогают уменьшить проблемы с защитной оболочкой. По этим причинам необходимо учитывать следующие физические свойства:

  1. Благоприятное фазовое равновесие,

  2. Высокая плотность,

  3. Небольшое изменение объема и

  4. Низкое давление паров.

Переохлаждение было проблемой при разработке РСМ, особенно для солевых гидратов. Переохлаждение более чем на несколько градусов будет мешать правильному отводу тепла из хранилища, а переохлаждение на 5–10 ° C может полностью предотвратить это. Таким образом, при выборе PCM необходимо учитывать следующие кинетические свойства:

  1. Без переохлаждения и

  2. Достаточная скорость кристаллизации.

ПКМ могут разлагаться, химически разлагаться или быть несовместимыми с конструкционными материалами.ПКМ должны быть нетоксичными, негорючими и не взрывоопасными для безопасности. Необходимо учитывать следующие химические свойства:

  1. Долгосрочная химическая стабильность,

  2. Совместимость с конструкционными материалами,

  3. Нетоксичность и

  4. Отсутствует пожароопасность.

С точки зрения экономики, для того, чтобы PCM был рентабельным, в целом, большое значение имеет наличие крупномасштабных материалов с фазовым переходом.

3. Улучшение тепловых свойств ПКМ

Чтобы ПКМ были рентабельными и эффективными, их тепловые свойства необходимо улучшить. Улучшение тепловых свойств, таких как теплопроводность, скрытое тепло и удельное тепло, важно для рассматриваемого ПКМ для эффективной передачи тепла и накопления большего количества тепловой энергии во время фазового перехода.

Теплопроводность может быть улучшена путем: (1) вставки неподвижной металлической структуры, (2) добавления металлических наночастиц, (3) путем добавления углеродных добавок, таких как графит, графен и углеродные нанотрубки (УНТ), и (4) путем инкапсулирования PCM [36].Большинство исследователей, изучавших вставку стационарных металлических структур, сосредоточились на изучении конфигурации, формы, размера и количества этих вставок для оптимизации характеристик накопления тепловой энергии [37–39]. Например, в исследовании, проведенном Sheikholeslami et al. [40], плавники и наноусиленные материалы с фазовым переходом (NEPCM) были использованы в качестве пассивных методов для ускорения процесса затвердевания. Они использовали метод конечных элементов, чтобы найти роль параметра излучения, длины ребра и коэффициента формы в минимизации времени затвердевания.Они использовали воду в качестве PCM и CuO в качестве наночастиц. Они сообщили, что использование наночастиц тромбоцитов приводит к максимальной производительности и что твердая доля параметра излучения NEPCM имеет прямую связь с твердой частью NEPCM. По мере увеличения длины ребер скорость зарядки увеличивается из-за улучшения режима проводимости [40]. В другом исследовании Шейхолеслами исследовал влияние формы внутреннего цилиндра, диаметра наночастиц и объемной доли наножидкости на процесс затвердевания наночастиц CuO и водной смеси.Они сообщили, что добавление наночастиц может способствовать затвердеванию PCM с оптимальным значением диаметра для ускорения затвердевания, равным 40 нм [41].

Были изучены такие параметры, как различные объемные доли и процентная доля наночастиц, которые улучшают тепловые характеристики (теплопередачу) теплового накопителя [42–44]. Добавки на основе углерода, а именно графит, графен и углеродные нанотрубки (УНТ), привлекли большое внимание и являются одной из наиболее перспективных добавок, способных улучшить теплообмен ПКМ [36].Сообщалось, что теплопроводность парафинового воска может быть увеличена путем насыщения пористых графитовых матриц в парафине [45, 46]. Низкая теплопроводность парафинов и жирных кислот также может быть повышена за счет использования тонкой капсулирования, максимизирующего площадь теплопередачи [47]. Инкапсуляция — это метод покрытия РСМ (который образует сердцевину инкапсулированного ПКМ) соответствующим материалом покрытия или оболочки [36]. Цель инкапсуляции состоит в том, чтобы удерживать жидкую и / или твердую фазу PCM и держать ее изолированной от окружающей среды, обеспечивая правильный состав PCM, который в противном случае изменился бы из-за смешивания PCM с окружающей жидкостью [36 ].Инкапсуляция также имеет то преимущество, что уменьшает реакцию PCM с окружающей средой, обеспечивая гибкость в частых процессах с фазовым переходом, повышая механическую стабильность PCM, улучшая совместимость опасных PCM, которые нельзя напрямую использовать или погружать в определенные приложения, такие как охлаждение здания / системы отопления [36]. По размеру инкапсулированные PCM могут быть классифицированы следующим образом [48]:

Удельная теплоемкость может быть увеличена путем улучшения кристалличности PCM [49, 50].Ряд исследований показал, что повышенная кристалличность ПКМ в некоторых композитах может увеличить удельную теплоемкость ПКМ [51]. В исследовании, проведенном [49], 26 нм SiO 2 частиц были добавлены в 1 эвтектику в соли эвтектики хлористых щелочей (BaCl 2 , NaCl, CaCl 2 и LiCl) с температурой плавления 378 ° С. Добавление SiO 2 привело к увеличению удельной теплоемкости ПКМ более чем на 14%, как неоднократно показано измерениями дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).Шин и соавт. [50] дополнительно исследовали эффект, используя частицы SiO 2 , имеющие диаметр 2–20 нм, встроенные в эвтектику расплавленной соли Li 2 CO 3 -K 2 CO 3 . Измерения ДСК показали увеличение удельной теплоемкости на 38–54% и 118–124% для твердой и жидкой фаз этих композитов соответственно.

Накопление энергии с использованием PCM напрямую зависит от скрытой теплоты материала. Поэтому всегда представляет большой интерес разработка материалов с более высокой скрытой теплоемкостью.Это позволяет либо накапливать больше энергии в пределах одной и той же массы материала, либо использовать пониженные уровни для постоянной потребности в накоплении энергии [51]. Скрытая теплота может быть увеличена путем увеличения кристалличности PCM. Warzoha и Fleischer изучили увеличение скрытой теплоты, возникающей в результате добавления многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT), глинозема или TiO 2 к базовому парафину на уровнях 20 об. % концентрации [52]. Они обнаружили, что тепловая энергия, которая может быть использована, на 15–17% ниже, чем количество, которое можно извлечь из основного парафина во время затвердевания; однако тепловая энергия используется в присутствии наночастиц графена (толщиной 15 нм, диаметром 15 мкм при 20 об.%) на 11% выше, чем у базового парафина.

4. Проблемы, возможности и политика поддержки

Существует несколько причин для более широкого внедрения технологий накопления энергии. Необходимость сокращения выбросов парниковых газов, необходимость расширения доступа к энергии и безопасности, необходимость замены устаревшей энергетической инфраструктуры и необходимость децентрализованного производства энергии; Все это является причиной увеличения использования хранилищ тепловой энергии. Согласно отчету Grand View Research, мировой рынок хранения тепловой энергии, как ожидается, достигнет 12 долларов США.50 миллиардов к 2025 году [53]. Согласно отчету, растущий спрос на доступ к эффективным и конкурентоспособным по цене источникам энергии будет способствовать росту рынка. Ожидается, что расширение технологий накопления тепловой энергии будет значительным в Европе и Азии (особенно в Японии) и несколько ниже (на 50%) в Соединенных Штатах. Глобальный потенциал оценивается примерно в три раза больше европейского потенциала [54].

Несмотря на большой потенциал широкого использования хранилищ тепловой энергии, существует несколько препятствий, которые необходимо преодолеть, из которых основными являются стоимость и производительность.Развитие и проникновение на рынок тепловых хранилищ значительно варьируется в зависимости от областей применения и регионов. Проникновение в строительном секторе сравнительно медленно в Европе, где строительство новых зданий составляет около 1,3% в год, а уровень обновления составляет около 1,5%; Конечно, интеграция систем аккумулирования тепловой энергии (TES) легче во время строительства [54]. Оценка европейского потенциала основана на 5% внедрении систем TES в зданиях [55].Проникновение может быть выше в развивающихся странах с высокими показателями новых зданий. Потенциал TES для когенерации и центрального отопления также связан со строительным фондом. Коэффициент внедрения когенерации составляет 10,2%, а внедрение TES в этих системах предполагается равным 15% [18]. Что касается TES для энергетических применений, то движущий сектор концентрирует солнечную энергию, в которой почти все новые электростанции, находящиеся в эксплуатации или в процессе строительства, оснащены системами TES, в основном на основе расплавленной соли [18].

Дополнительные препятствия связаны со свойствами и стабильностью материала, в частности, для термохимических систем. Каждое приложение для хранения нуждается в особой конструкции TES, чтобы соответствовать определенным граничным условиям и требованиям [18]. Большая часть таких исследований и разработок в области технологий TES касается материалов (то есть носителей для различных температурных диапазонов), контейнеров и разработки теплоизоляции. Для сложных систем, таких как хранение скрытой теплоты и химические хранилища, требуется больше НИОКР для понимания системной интеграции и параметров процесса, а также улучшения реагирующих материалов.

Ключом к достижению широкого внедрения технологий хранения данных является предоставление компенсации за многочисленные услуги, выполняемые в энергетической системе [12]. Многие правительства уже выступили в поддержку разработки проектов накопления энергии посредством таких усилий, как прямая финансовая поддержка демонстрационных проектов, комплексные преобразования рынка и мандаты для проектов накопления энергии (см. Таблицу 6) [12].

Таблица 6.

Примеры действий правительства, которые положительно поддержали внедрение технологий хранения энергии [12].

5. Заключение

Хранение тепловой энергии (TES) — это технология, которая работает путем накопления тепловой энергии для последующего использования. TES может применяться для отопления, охлаждения, производства электроэнергии и промышленных процессов. В области застройки TES применяются для односемейных домов, многопользовательских зданий, крупных коммерческих зданий и систем централизованного теплоснабжения. Большинство исследований TES были сосредоточены на материалах, таких как исследование носителей для различных температурных диапазонов, контейнеров и разработка теплоизоляционных материалов.PCM и термохимические системы хранения требуют дальнейших исследований и разработок, например, в области улучшения реагирующих материалов, чтобы лучше понять интеграцию системы и параметры процесса.

Технологии TES сталкиваются с некоторыми препятствиями, ключевым вопросом является стоимость. Дополнительные барьеры связаны со свойствами и стабильностью материала, особенно термохимических систем хранения.

Проникновение в строительном секторе сравнительно медленно в Европе, где строительство новых зданий составляет около 1.3% в год и уровень обновления составляет около 1,5%; Конечно, интеграция TES легче в процессе строительства [54]. Проникновение может быть выше в развивающихся странах с высокими показателями новых зданий. Потенциал TES для когенерации и центрального отопления также связан со строительным фондом. Коэффициент внедрения когенерации составляет 10,2%, а внедрение TES в этих системах предполагается равным 15% [18].

теплообменников с изменением фазы материала для охлаждения
  • Дом
  • Блог
  • О
    • Что мы делаем
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Информация о проезде
    • ACT Социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Контакт
    • Контакт ACT
    • Найди свою репутацию
  • Звоните: 717.295.6061

  • Звоните: 717.295.6061

Связаться с инженером

Advance Cooling Technologies

Advanced
Технологии охлаждения
Advance Cooling Technologies

  • Дом
  • О
    • Назад
    • Что мы делаем
    • Блог
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Корпоративная социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Контакт
    • Назад
    • Найти представителя
  • Рынки
    • Назад
    • Авиация
    • Охлаждение электроники
    • Охлаждение корпуса
      • Вернуться
      • Заказать Online
      • Инструмент выбора
    • HVAC Energy Recovery
    • Обработка материалов
    • Медицинский
    • Военные
      • Назад
      • Оружие направленного действия
    • Фотоника
    • Силовая электроника
    • Солнечная
    • Космический аппарат Thermal Control
    • Калибровка и контроль температуры
    • Транспорт
  • Продукты
    • Назад
    • Тепловые трубки для управления температурным режимом
      • Назад
      • Тепловые сборки
      • HiK ™ Пластины
      • Парокамерные сборки
    • Двухфазные системы охлаждения с насосом
    • PCM Радиаторы
    • Продукты для терморегулирования космических аппаратов
      • Назад
      • Тепловые трубки с постоянной проводимостью
      • Тепловые трубки с переменной проводимостью
      • Loop Heat Pipes
      • Трубы для меди и воды
      • Аккумулятор для систем накачки жидкости
    • охладителей герметичного корпуса
      • Назад
      • ACT-HSC Радиаторы охлаждения
      • ACT-HPC Тепловые кулеры
      • ACT-LNC Малошумные кулеры
      • ACT-TEC Термоэлектрические кондиционеры
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • HVAC Теплообменники
      • Назад
      • Теплообменник воздух-воздух с теплоотводом
      • Теплообменник с теплоотводом с улучшенной системой осушения
      • Пассивно-сплит теплообменник
      • Вентилятор с рекуперацией тепла из пассивной тепловой трубы (HRV)
      • ACT Тепловой пассивный клапан
    • Loop Термосифон
    • Теплотехнические услуги
    • ICE-Lok ™ термически улучшенный клинлок
    • Жидкие холодные пластины — Custom
    • вкладыши печи и полости черного тела
      • Back
      • Сверхтемпературные изотермические футеровки печей (IFL) для медных ячеек с температурой замерзания
      • IFL Systems для обработки материалов
      • Печь с тепловым управлением и давлением
      • Тепловая труба, полость черного тела,
    • Тепловые, жидкостные и механические системы на заказ
      • Назад
      • Изготовленные на заказ однофазные системы охлаждения
      • Система имитации ожогов для оценки защитной одежды вблизи реактивных двигателей
      • Испытательная система с воспламенением от горячей поверхности (HSI) для оценки воспламеняемости
      • Термооптическая испытательная система для терморегулирования лазерных диодов
      • Калибровочная печь с регулируемым давлением для тепловых труб
      • Испытательная система для моделирования контура жидкости модуля ISE JEMS
      • Изготовленные на заказ испытательные системы плиты одиночной фазы

      • жидкостные холодные
      • Двухфазные испытательные системы с пользовательской накачкой
  • НИОКР
    • Назад
    • Усовершенствованные тепловые трубы и тепловые трубы с петлями
      • Назад
      • Тепловые трубки средней температуры
      • Высокотемпературные тепловые трубы
      • Петли для тепловых трубок
      • Испытания срока службы тепловой трубы
    • Расширенные вычислительные методы и моделирование
      • Back
      • Advanced CFD для реактивных потоков
      • Ab-Initio и методы молекулярной динамики
      • Реактивные методы молекулярной динамики
      • Перидинамическое моделирование без сетки
    • Технология теплообменников

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о