Накопительный водонагреватель в современной системе теплоснабжения
Опубликовано: 09 ноября 2016 г.
455
Работа системы ГВС, обычно входящей как составная, но самодостаточная часть в общую систему теплоснабжения, характеризуется большими пиковыми нагрузками, критичными для автономных систем теплоснабжения.
Если при наличии централизованного теплоснабжения суточные пиковые нагрузки ГВС покрываются за счет общей мощности сети, то в автономных сетях даже при наличии современной автоматики их купирование за счет резервной мощности в общем случае нерационально, а при наличии поливалентной системы теплоснабжения (с альтернативными источниками теплогенерации) обычно и невозможно.
В системах, использующих энергию, получаемую от альтернативных возобновляемых источников (ветра, солнца, тепла воды, воздуха и земли), требуется установка буферного аккумулятора, позволяющего элиминировать колебания генерации и обеспечивать устойчивую работу оборудования при пиковых нагрузках. Он призван играть аналогичную роль и в гибридных (поливалентных) системах теплоснабжения.
Поэтому установка бойлера-аккумулятора (накопителя, накопительного водонагревателя) в большинстве автономных систем теплоснабжения необходима в трех случаях: при использовании каминов с водяной рубашкой, в гибридных системах (с солнечными коллекторами и/или тепловыми насосами) и в индивидуальных системах с электрокотлами в качестве основного источника теплоснабжения и/или проточными электронагревателями ГВС. При всем различии технологий теплогенерации все перечисленные схемы объединяет ее периодичность и цикличность (в последнем случае, с применением электрокотлов, связанная с возможностью существенного снижения затрат за счет использования низкого ночного электротарифа).
Накопительный нагреватель в системе ГВС
Применение бойлера-аккумулятора целесообразно при наличии более чем одной точки забора горячей воды. Грамотно подобранный теплообменник с корректной мощностью (объемом) делает возможным быстрый и равномерный нагрев воды в нем до необходимой температуры, стабильной в разных точках бака. Так, резервуар объемом 0,1 м3 гарантирует получение приблизительно 500 дц3/ч горячей воды. Причем проточный электронагреватель не может обеспечить такую производительность.
Принцип действия бойлера косвенного нагрева может быть основан на взаимодействии дополнительных источников теплоснабжения с основным его источником, поэтому объем бойлера должен подбираться с учетом мощности таких теплогенераторов. Теплопередающих контуров в подобном нагревателе может быть несколько. Для нагрева воды в бойлере используются в качестве дополнительных источников энергии гелиоколлекторы (плоские и вакуумные), биотопливные (твердотопливные) котлы или камины с водяной рубашкой и тепловые насосы.
Теплоноситель в таких источниках тепла движется по обособленным «трассам», связанным элементами теплопередачи в среде нагревания. Например, в учебном классе для подготовки специалистов в области современной отопительной техники компании Ariston Thermo Group обучающиеся изучают технические приемы, необходимые для качественного проектирования, монтажа и сервиса современных систем, использующих альтернативную теплогенерацию. Солнечный коллектор, установленный на крыше, и бойлер-аккумулятор ГВС, – «рабочие», и в отходящих от них трубах циркулирует нетоксичный низкозамерзающий теплоноситель на основе пропилена.
Устройство и подключение
Бойлер косвенного нагрева – это цилиндр с теплоизолированными стенками, имеющий внутри собирающую колбу с теплообменником, обычно имеющим спиралевидную форму (змеевик). Внутри него движется теплоноситель, нагревающий стенки. От них в свою очередь прогревается и вода в резервуаре. Защиту частей нагревателя от гальванической коррозии обеспечивает установленный внутри бойлера магниевый анод.
Однако существуют и конструкции, выполненные по схеме «бак в баке», принцип действия которых похож на работу классического теплообменника двухконтурного котла (рис. 1).
Рис. 1. Бойлер-аккумулятор типа «бак в баке»
Подключить накопительный нагреватель можно, например, с помощью трехходового клапана, обеспечив взаимодействие двух контуров – отопительного и ГВС. Трехходовый клапан служит распределителем потока теплоносителя между ними, а приоритет в такой системе отдается нагреву накопителя.
Управление трехходовым клапаном осуществляется автоматически, с помощью сигналов термостата нагревателя. При остывании воды до минимально допустимого уровня клапан по сигналу термостата перенаправляет поток воды из контура отопления в контур бойлера косвенного нагрева.
При подключении бойлера к контурам отопления и ГВС холодная вода поступает в низ бака, а горячая – забирается из верхней его части. Подача горячего теплоносителя осуществляется по верхнему патрубку, а остуженный – выходит по нижнему. Благодаря такому соединению, можно обеспечить более высокий КПД бойлера (рис. 2).
Рис. 2. Типовая схема подключения бойлера-аккумулятора
Подобные системы хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации в частном секторе. При косвенной схеме подключения (косвенный нагрев, при котором теплоноситель котлового контура напрямую не контактирует с водой в емкости) бойлер играет роль дополнительного оборудования, а основным элементом считается двухконтурный котел. Вода, нагретая им, направляется в бойлер, где «догревается» и поступает потребителю. При отсутствии расхода ГВС она циркулирует по системе отопления с заданной температурой, которую и обеспечивает бойлер.
Такая аккумулирующая емкость необходима в моновалентной системе теплоснабжения и в случае дискретности генерации тепла. Причем такое «запасенное тепло» служит в этом случае не только для покрытия пиковых нагрузок ГВС, но и обеспечивает нужды отопления при неработающем теплогенераторе. Это актуально не только для многих типов твердотопливных котлов, но и для каминов с водяной рубашкой.
Например, в течение примерно 14 ч работы камин генерирует до 14 кВт. Из них 8 кВт – расходуется на отопление дома и поступает через бойлер непосредственно к потребителям – батареям отопления, теплому полу и т. п. Еще 1 кВт через бойлер косвенного нагрева поступает в систему ГВС. Из полученной тепловой мощности 5 кВт аккумулируются в бойлере. Поэтому за время работы камина в бойлере накапливается до 70 кВт·ч тепловой энергии. В течение 10 условных ночных часов эта энергия расходуется на отопление (рис.3).
Рис. 3. Гидравлическая схема подключения бойлера-аккумулятора при использовании камина с водяной рубашкой
С учетом неизбежных теплопотерь, которые могут составить до 20 % (максимальные теплопотери при минимальном расходе – в начальный период и минимальные теплопотери при максимальном расходе – в конечный период времени), на отопление может быть израсходовано 56 кВт·ч.
Таким образом, без бойлера-накопителя (теплоаккумулятора) невозможно было бы оптимизировать потребление тепла в течение суток. Кроме того, он защищает камин с водяным контуром от возможного перегрева. Из водяной рубашки поступает теплоноситель температурой до 90 °С. Протекая по встроенному в емкость бойлера змеевику, он нагревает находящуюся там воду. Охлажденный до 65 °С теплоноситель подается обратно в теплообменник котла. А нагретая в бойлере до 80–90 °С вода поступает к потребителям, охлажденная в отопительных приборах вода возвращается в бойлер-аккумулятор. Расходуемая бытовая горячая вода нагревается, протекая по другому змеевику, также расположенному в бойлере. При этом вода для ГВС и вода для отопления не должны смешиваться.
Для того чтобы защитить котловую часть топки от низкой температуры, применяется модуль, отвечающий за температуру повышения обратного потока. Если в бойлере температура воды опускает ниже 60 °С, то модуль подмешивает к теплоносителю обратного потока воду из прямого потока до достижения требуемой температуры.
В водяной рубашке монтируется датчик, по сигналу которого включается циркуляционный насос и переключаются потоки теплоносителя.
Альтернативные источники теплоснабжения
Если схемы использования и подключения бойлеров-аккумуляторов в автономных системах теплоснабжения с классическими теплогенераторами в общем случае типичны, то применение накопительных емкостей в поливалентных системах, в которых наряду с котлами, газовыми или твердотопливными, применяются также альтернативные источники теплоснабжения, также многовариантны. При этом накопительные емкости, сопрягая разнотипные источники энергии, могут не только обеспечивать нужды ГВС или отопления, но и служить активным элементом гидравлической схемы и играть роль своего рода гидравлической стрелки, разделяющей и диспетчеризирующей разнопотенциальные тепловые потоки.
Очевидно, что такие различные функции и адаптация систем теплоснабжения к нуждам конкретных потребителей, применение различных типов альтернативных источников энергии (рис.4, 5), как непрерывной, так и погодо,- сутко - и сезонозависимой генерации (гелиоколлекторы, воздушные тепловые насосы и т.п.) требуют и использования бойлеров-аккумуляторов различных конструкций.
Рис. 4. Типовая гидравлическая схема с теплоснабжением от теплового насоса
Рис. 5. Схема теплоснабжения с поливалентным бойлером косвенного нагрева и гелиоколлектором
На рис. 6 показана схема поливалентной системы теплоснабжения, в которой бойлер-аккумулятор снабжен двумя раздельными спиральными теплообменниками, нагревающими объем воды, используемыми для ГВС и отопления, теплоносителем, поступающим от котла (теплового насоса) и солнечного коллектора.
Рис. 6. Накопительный водонагреватель с двумя теплообменниками
Приведенная на рис. 7 схема ГВС с бойлером косвенного нагрева и камином интересна тем, что в ней имеется емкостной промежуточный бойлер, выполняющий функцию не только накопителя-аккумулятора, но и гидравлической стрелки.
Рис. 7. Схема с промежуточным бойлером-аккумулятором
На схеме (рис. 8) камин или котел функционирует параллельно с солнечным коллектором, причем промежуточный «бойлер-диспетчер» (аналог гидравлической стрелки) является по отношению к теплоснабжению от гелиоколлектору бойлером косвенного нагрева, а бойлер системы ГВС – бойлером косвенного нагрева относительно бойлера-диспетчера.
Рис. 8. Бойлер-аккумулятор, служащий бойлером косвенного нагрева для гелиосистемы
