Najväčšou nevýhodou kotlov na tuhé palivá je ich cyklickosť: pri maximálnom zaťažení a spaľovaní sa dosahuje špičkový (často nadmerný) tepelný výkon, ktorý neustále klesá na 0 (úplný útlm) a obnovuje sa novým zaťažením paliva. Toto cyklovanie neumožňuje stabilný, rýchlo a presne riadený vykurovací systém.
Vyhladenie nerovnomerného prenosu tepla kotlov na tuhé palivá (TT) umožňuje vyrovnávacia nádrž, ktorá je zároveň akumulátorom tepla. Táto nádrž akumuluje prebytočné teplo počas špičkovej prevádzky kotlovej jednotky. Vyrovnávacia nádrž je nádrž určitého objemu naplnená chladiacou kvapalinou, ktorej účelom je akumulovať prebytočný tepelný výkon a potom ho racionálnejšie distribuovať s cieľom vykurovať dom alebo zabezpečiť dodávku teplej vody (TÚV).
Na čo slúži akumulačná nádrž a aká je jej efektivita?
Vyrovnávacia nádrž sa najčastejšie používa u kotlov na tuhé palivá, ktoré majú určitú cyklickosť, a to platí aj pre kotly TT s dlhým spaľovaním. Po zapálení sa prestup tepla paliva v spaľovacej komore rýchlo zvyšuje a dosahuje svoje špičkové hodnoty, po ktorých je generovanie tepelnej energie utlmené a po vymieraní, keď nie je naložená nová dávka paliva, sa zastaví úplne.
Výnimkou sú iba zásobníkové kotly s automatickým napájaním, kde kvôli pravidelnému rovnomernému prísunu paliva dochádza k spaľovaniu pri rovnakom prestupe tepla.
S takouto cyklickosťou nemusí počas obdobia ochladzovania alebo tlmenia tepelná energia stačiť na udržanie príjemnej teploty v dome. Zároveň je v období špičkového tepelného výkonu teplota v dome oveľa vyššia ako komfortná a časť prebytočného tepla zo spaľovacej komory jednoducho vyletí do komína, čo nie je najefektívnejšie a hospodárne využitie paliva.
Účinnosť vyrovnávacej nádrže je najlepšie pochopiteľná na konkrétnom príklade. Jeden m³ vody (1 000 l), keď sa ochladí na 1 °C, uvoľní 1-1,16 kW tepla. Zoberme si ako príklad priemerný dom s klasickým murovaním z 2 tehál s rozlohou 100 m², ktorého tepelné straty sú približne 10 kW. 750 litrový tepelný akumulátor, vyhrievaný niekoľkými záložkami na 80 °C a ochladený na 40 °C, dodá vykurovaciemu systému asi 30 kW tepla. Pre vyššie uvedený dom sa to rovná ďalším 3 hodinám tepla z batérie.
Niekedy sa vyrovnávacia nádrž používa aj v kombinácii s elektrickým kotlom, čo je opodstatnené pri nočnom vykurovaní: pri znížených tarifách za elektrinu.
Princíp činnosti akumulačnej nádrže
Akumulátor tepla je spravidla utesnená zvislá valcová nádrž, niekedy dodatočne tepelne izolovaná. Je sprostredkovateľom medzi kotlom a vykurovacími zariadeniami. Štandardné modely sú vybavené spojením 2 párov trysiek: prvý pár slúži pre prívod a spätný chod kotla (malý okruh); druhý pár pre prívod a návrat vykurovacieho okruhu, rozvedený okolo domu. Malý okruh a vykurovací okruh sa neprekrývajú.
Princíp činnosti tepelného akumulátora v spojení s kotlom na tuhé palivo je jednoduchý:
- Po zapálení kotla obehové čerpadlo v malom okruhu (medzi výmenníkom tepla kotla a nádržou) neustále prečerpáva chladiacu kvapalinu.
- Prívod kotla je pripojený k hornému odbočnému potrubiu tepelného akumulátora a spätný tok k spodnému. Vďaka tomu je celá vyrovnávacia nádrž hladko naplnená ohrievanou vodou bez výrazného vertikálneho pohybu teplej vody.
- Na druhej strane je prívod vykurovacích radiátorov pripojený k hornej časti vyrovnávacej nádrže a spätný prúd je pripojený k spodnej časti. Nosič tepla môže cirkulovať ako bez čerpadla (ak je vykurovací systém navrhnutý na prirodzenú cirkuláciu), tak aj násilne.
Takáto schéma zapojenia opäť minimalizuje vertikálne miešanie, takže vyrovnávacia nádrž prenáša akumulované teplo na batérie postupne a rovnomernejšie. Ak je správne zvolený objem a ďalšie vlastnosti vyrovnávacej nádrže pre kotol na tuhé palivo, je možné minimalizovať tepelné straty, čo ovplyvní nielen úsporu paliva, ale aj pohodlie pece. Akumulované teplo v dobre izolovanom tepelnom akumulátore sa uchováva 30 - 40 hodín alebo viac.
Navyše, vďaka dostatočnému objemu, ktorý je oveľa väčší ako vo vykurovacom systéme, sa akumuluje absolútne všetko uvoľnené teplo (v súlade s účinnosťou kotla). Už po 1-3 hodinách prevádzky pece, aj pri úplnom tlmení, je k dispozícii plne „nabitý“ akumulátor tepla.
Provoz kotle s termostatickým směšovacím ventilem TSV B a akumulační nádrží
Typy akumulačných nádrží
Existuje niekoľko typov konštrukcií akumulačných nádrží, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami a určením:
| Typ konštrukcie | Opis charakteristických znakov |
|---|---|
| Štandardná | Predtým opísaná vyrovnávacia nádrž s priamym pripojením zhora a zdola. Tieto konštrukcie sú najlacnejšie a najčastejšie sa používajú. Vhodné pre štandardné vykurovacie systémy, kde všetky okruhy majú rovnaký maximálny povolený prevádzkový tlak, rovnaký nosič tepla a teplota vody ohrievanej kotlom nepresahuje maximálnu prípustnú hodnotu pre radiátory. |
| S prídavným vnútorným výmenníkom tepla | Zariadenie s prídavným výmenníkom tepla (zvyčajne vo forme špirály) je potrebné pri vyššom tlaku malého okruhu, čo je pre vykurovacie radiátory neprijateľné. Ak je pripojený ďalší výmenník tepla so samostatnou dvojicou dýz, je možné pripojiť ďalší (druhý) zdroj tepla, napríklad kotol TT + elektrický kotol. Môžete tiež oddeliť chladiacu kvapalinu (napríklad: voda v prídavnom okruhu; nemrznúca zmes vo vykurovacom systéme). |
| So zásobníkom pre TÚV | Nádrž s prídavným okruhom a iným okruhom pre TÚV. Výmenník tepla na dodávku teplej vody je vyrobený zo zliatin, ktoré neporušujú sanitárne normy a požiadavky na vodu použitú na varenie. Používa sa ako náhrada za dvojkruhový kotol. Okrem toho má výhodu takmer okamžitého prívodu teplej vody, zatiaľ čo dvojokruhový kotol vyžaduje na jeho prípravu a dodávku do miesta spotreby 15 až 20 sekúnd. |
| So zásobníkom TÚV vo forme vnútornej nádrže | Konštrukcia je podobná ako pri predchádzajúcom, avšak výmenník tepla pre TÚV nie je vyrobený vo forme špirály, ale vo forme samostatného vnútorného zásobníka. Vnútorná nádrž odstraňuje obmedzenia v objeme teplej vody. Celý objem zásobníka TÚV je možné využiť na neobmedzenú súčasnú spotrebu, po uplynutí ktorej je potrebný čas na ohrev. Zvyčajne je objem vnútornej nádrže dostatočný pre najmenej 2 až 4 osoby kúpajúce sa za sebou. |
Každý z vyššie opísaných typov vyrovnávacích nádrží môže mať väčší počet párov dýz, čo umožňuje odlíšiť parametre vykurovacieho systému podľa zón, dodatočne pripojiť podlahu ohrievanú vodou atď.
Rozsahy použitia tepelných akumulátorov
Tepelné akumulátory je možné použiť s rôznymi zdrojmi tepla:
Akumulátory tepla v solárnych systémoch
Solárny kolektor extrahuje energiu zo slnečného tepla. Bez akumulačnej nádrže však funguje horšie kvôli nerovnomernosti dodávky energie - zmene dennej doby a ročných období. Na zabezpečenie plynulej dodávky teplej vody do vykurovacieho systému alebo na dodávku teplej vody je potrebná inštalácia tepelného akumulátora. Ten počas slnečnej prevádzky zhromažďuje prebytočnú energiu a po západe slnka ju postupne vydáva.
Vyrovnávacia nádrž pre kotly na tuhé palivá
Pre kotly na tuhé palivo je charakteristická cyklickosť prevádzky. Maximálne energetické parametre sa dosahujú na vrchole spaľovania, potom prenos tepla klesá a po vyhorení paliva sa proces výroby tepelnej energie zastaví. Pripojenie zásobníka pomôže tento problém vyriešiť, umožní prenos tepla na hlavné vedenie a vykurovanie miestnosti, aj keď kotol už nepracuje naplno.
Tepelný akumulátor pre elektrický kotol
V prípade elektrického kotla je akumulačná nádrž nevyhnutná na zníženie nákladov na vykurovanie o 30-45 %. Najvýhodnejšie je zariadenie používať v noci, keď sú tarify znížené.
Výhody a nevýhody používania akumulačných nádrží
| Výhody | Nevýhody |
|---|---|
| Oveľa efektívnejšie využitie tuhých palív, čo vedie k vyšším úsporám. | Systém je oprávnený iba pri neustálom používaní. V prípade prerušovaného pobytu v dome (napr. iba cez víkendy) a podpaľovania je potrebný čas na zahriatie systému, čo môže znižovať efektivitu pri krátkodobej prevádzke. |
| Predĺženie časov cyklov a zníženie frekvencie plnenia tuhého paliva. | Systém vyžaduje nútený obeh, ktorý zabezpečuje obehové čerpadlo. Preto je takýto systém závislý od elektrickej energie. |
| Zvýšený komfort vďaka stabilnejšej a prispôsobiteľnejšej prevádzke vykurovacieho systému. | Ďalšie prostriedky sú potrebné na vybavenie vykurovacieho systému kotlom na nepriame vykurovanie. Cena lacných vyrovnávacích nádrží začína od 25 tisíc rubľov + náklady na bezpečnostné prvky (generátor v prípade výpadku elektrickej energie a stabilizátor napätia). |
| Možnosť zabezpečenia dodávky teplej vody. | Vyrovnávacia nádrž, najmä na 750 litrov alebo viac, má značnú veľkosť a vyžaduje ďalšie 2-4 m² priestoru v kotolni. |
| Schopnosť pripojiť niekoľko zdrojov tepla, možnosť odlíšiť chladiacu kvapalinu. | Pre maximálnu účinnosť by mal mať kotol minimálne o 40-60 % vyšší výkon, ako je minimum potrebné na vykurovanie domu. |
| Pripojenie vyrovnávacej nádrže je jednoduchý proces, ktorý je možné vykonať bez zapojenia špecialistov. |
Zhrnutie: Autonómne vykurovacie systémy na tuhé palivá s tepelným akumulátorom využívajú energetický potenciál palív v maximálnej možnej miere, čím sa prudko zvyšuje účinnosť kotlového zariadenia. Prevádzka systému si vyžaduje menej ľudských zásahov a poskytuje spoľahlivú ochranu kotla pred prehriatím. Systém je plynulejší a predvídateľnejší, s možnosťami modernizácie a často rieši aj problém s dodávkou teplej vody.
Nevýhodou je značná zotrvačnosť systému, objemnosť a hmotnosť nádrží, vysoká cena a požiadavka na výkonnejší kotol. Akumulátor tepla odhalí svoje pozitívne vlastnosti, iba ak je pasívny výkon kotla na tuhé palivo najmenej dvakrát vyšší ako vypočítaná hodnota potrebná na efektívne vykurovanie domu. V opačnom prípade sa nákup vyrovnávacej nádrže považuje za nerentabilný.
Výpočet minimálneho požadovaného objemu akumulačnej nádrže
Najdôležitejším parametrom je objem nádoby. Mal by byť čo najväčší, aby sa maximalizovala účinnosť, ale do určitej prahovej hodnoty, aby mal kotol dostatok energie na jeho „nabitie“.
Výpočet objemu vyrovnávacej nádrže pre kotol na tuhé palivá sa vykonáva podľa vzorca:
m = Q / (k * c * Δt)
Kde:
- m - hmotnosť chladiacej kvapaliny (po výpočte ju nie je ťažké previesť na litre: 1 kg vody ≈ 1 dm³).
- Q - požadované množstvo tepla sa počíta ako: výkon kotla * doba jeho činnosti - tepelné straty doma * doba činnosti kotla.
- k - účinnosť kotla.
- c - špecifická tepelná kapacita chladiacej kvapaliny (pre vodu je to známa hodnota - 4,19 kJ/kg*°C = 1,16 kW/m³*°C).
- Δt - teplotný rozdiel v prívodnom a spätnom potrubí kotla (údaje sa odčítajú, keď je systém stabilný).
Príklad: Pre priemerný dom s 2 tehlami s rozlohou 100 m² sú tepelné straty zhruba 10 kW/h. Dom je vykurovaný kotlom s výkonom 14 kW a účinnosťou 88%, pričom palivové drevo v ňom vyhorí za 3 hodiny. Teplota v prívodnom potrubí je 85 °C a v spätnom potrubí - 50 °C.
Požadované množstvo tepla (Q) na udržanie rovnováhy = 10 kW.
Výpočet množstva tepla: Q = 14 kW * 3 h - 10 kW * 3 h = 12 kW.
Výsledkom je, že m = 12 kW / (0,88 * 1,16 kW/m³*°C * (85°C - 50°C)) = 0,336 m³ = 336 litrov.
Toto je minimálna požadovaná kapacita vyrovnávacej pamäte. S takouto kapacitou sa akumulátor po vyhorení záložky (3 hodiny) akumuluje a distribuuje ďalších 12 kW tepla.
Poznámka: Ukazovatele závisia od kvality paliva, čistoty chladiacej kvapaliny a presnosti počiatočných údajov, preto sa v praxi môže výsledok líšiť o 10-15 %.
Počet výmenníkov tepla a materiál vnútornej nádoby
Pri výbere akumulačnej nádrže je dôležitá aj prítomnosť výmenníkov tepla a ich počet. Pre najjednoduchší vykurovací systém stačí prázdny model bez výmenníkov tepla.
Ak je však vo vykurovacom okruhu plánovaná prirodzená cirkulácia, je potrebný ďalší výmenník tepla, pretože malý okruh kotla môže fungovať iba s núteným obehom. Modely nádrží bez výmenníkov tepla sú všeobecne určené pre vnútorný tlak do 6 bar, čo je viac než dosť pre priemerný vykurovací systém.
Materiál vnútornej nádoby môže byť rôzny, pričom sa zohľadňujú požiadavky na hygienu a odolnosť.
Pre správnu funkciu vrstvenia tepelnej energie je nevyhnutné zabezpečiť, aby sa teplotné vrstvy v akumulačnom zásobníku vzájomne nepremiešavali. Tento proces sa riadi pomocou špeciálnych regulačných prvkov.
Pri príprave teplej vody sa stratifikačný akumulačný zásobník stáva zdrojom tepelnej energie smerom k odovzdávacej stanici, kde sa teplá voda pripravuje prietokovým ohrevom. Tento proces sa uskutočňuje v momente požiadavky spotrebiteľa, čo prináša nízke straty a vysoké hygienické nároky. Nikde v sústave sa teplá voda neskladuje.
tags: #vykurovanie #teplovzdusny #kotol #akumulacna #nadrz #tuv