Тепловой расчет емкости аккумулятора

Рассмотрим пример расчета по двум задачам.

Скачайте файл Excel для быстрого расчета теплоаккумулятора под ваши параметры: raschet_teploakkumulatora.xlsx

Существуют две задачи для расчета теплоаккумулятора:

1. Рассчитать минимальный объем для того, чтобы не перегреть теплоноситель раньше времени до критических температур 90-100 градусов.
2. Рассчитать объем для накопления тепловой энергии

Расчет теплоаккумулятора для ТвердоТопливного Котла(ТТК)

Схема подключения Твердотопливного котла с теплоаккумулятором.

Теплоаккумулятор для твердотопливного котла нужен больше всего для предотвращения повышения температуры теплоносителя до критических значений 100 и более градусов. Температура может быть больше 100 градусов и это не означает, что теплоноситель закипит. Теплоноситель не закипит, если при этом существует избыточное давление. Например, при давлении воды 1 Bar вода закипит при температуре 120 градусов. Это написано тут: http://infosantehnik.ru/str/53.html

Из-за высокой температуры пострадают пластиковые трубы и другое оборудование, не предназначенное для высоких температур. Например, большое количество разного оборудования предназначено работать при максимальной температуре не более 110 градусов.

Для расчета объема теплоаккумулятора нужно учесть только повышения температуры выше 110 градусов.

Для понимания расчета сделаем пример расчета

Для расчета берем данные из паспорта котла:

Плотность дров, кг/м3:

Пример расчета сосны с плотностью 505 кг/м3

Сколько килограмм сосновых дров поместится в топку?

Энергия кВт-час одной топки дровами без учета КПД % котла

С учетом КПД котла:

Можно мощность посчитать по-другому: Номинальную мощность котла помножим на максимальный коэффициент мощности 1,2 и помножим на количество часов работы (указанно в паспорте котла).

Чтобы рассчитать объем теплоаккумулятора нужно определиться с максимальными и минимальными температурами теплоносителья.

Максимальная температура теплоносителя выбирать можно в диапазоне 90-110 градусов. Обычно максимальная температура оборудования и труб 110 градусов. Но желательно не превышать 90 градусов. Для полипропиленовых труб максимальную температуру делаем еще ниже, чем 90. Для полипропиленовых лучше 70 градусов.

Минимальная температура теплоносителя выбираем 50-60 градусов, когда требуется заправка дровами. То есть это минимальная температура теплоносителя, при котором отопление справляется с теплопотерями здания. У каждого здания она может быть разная. Также этот показатель зависит от температуры на улице.

Я предлагаю максимальную температуру брать 90, а минимальную 60 градусов. Конечно, в вашем случае может быть по-другому.

Давайте учтем тепло, которое начинает уходить на отопление дома за 3 часа горения дров.

Теплопотери дома 5000 Вт:

Максимальные теплопотери (10000 Вт) поделим пополам получим 5000 Вт. То есть нужно учитывать, что расчетные максимальные тепловые потери дома происходят редко. Основная частая величина тепловых потерь равна 50% от максимальных. Иногда может быть еще меньше.

Заключение: Конечно, для защиты от кипения объем теплоаккумлятора получается очень большим. Но его еще можно снизить. Смотрите ниже.

Еще нужно понимать, что фактические теплопотери дома могут сильно снижаться. И котел будет работать на накопление тепловой энергии в теплоаккумуляторе, ведь мы не можем остановить горение дров.

Не забываем учитывать минимальную мощность котла

То есть для расчета объема теплоаккумулятора нужно выбрать минимальную мощность котла в нашем случае оно составит:

Номинальная мощность 8кВт помножить на 0,5 = 4 кВт. Производитель котла не зря упоминает минимальную мощность котла. Если вы будите использовать котел меньше этой мощности то, или у вас не получится горение дров, или КПД котла будет снижен.

Конечно, при малом потреблении мощности, котел может работать больше 3 часов.

То есть рассчитывать минимальный объем теплоаккумулятора нужно на минимальную мощность котла заявленный производителем и на минимальное потребление теплопотерь дома. Чтобы получить минимальные тепловые потери дома можно просто поделить мкксимальные потери дома в 3 раза.

Расчет минимального объема теплоаккумлятора для ТТК

Для этого нам необходимо в паспорте котла найти минимальную мощность котла. Она составит 4 кВт предположим, гореть дрова будут 3 часа.

Минимальные теплопотери дома будут в три раза меньше(3,3 кВт), чем максимальные тепловые потери дома(10 кВт).

Для подбора теплоаккумулятора необходимо сделать два расчета на максимальный объем и минимальный объем теплоаккумулятора.

Минимальный объем составил 60 литров, а максимальный 885 л. И вам нужно выбрать объем теплоаккумулятора в диапазоне от 60 до 885 литров.

Чем меньше объем теплоаккумулятора, тем быстрее вы прогреете дом. Чем больше объем теплоаккумулятора, тем дольше вы будите прогревать дом, но защита от перегрева будет заметно лучше.

Если Ваша система отопления работает редко, то можно рассмотреть малый объем теплоаккумулятора.

Если система отопления работает постоянно, то лучше предпочесть большой объем теплоаккумулятора, чтобы заниматься редким подбрасыванием дров в топку и меньше заниматься контролем температуры.

Малый объем теплоаккумулятора может вызывать трудности в дозировке подбрасывания дров. То есть вам придется подбрасывать дрова частично в определенное время. А с большим объемом теплоаккумулятора вы можете бросить большое количество дров в топку ТТК и не опасаться, что наберется высокая температура. То есть с большим объемом вы можете заполнить всю топку ТТК, а с малым объемом будите подкидывать меньше дров и будите делать это часто.

Конечно, большой диапазон объема теплоаккумулятора вынуждает делать экономический расчет. Рекомендуется выбрать наиболее большой объем теплоаккумулятора на свой вкус(комфорт) и кошелек.

Заказчику говорите, что малый объем приведет к перегреву теплоносителя и сложной дозировки подкидывания дров. Как правило в коттеджах 200-300 м2 площади используется таеплоаккумуляторы 200-500 литров.

Расчет объема теплоаккумулятора для накопления тепловой энергии

Чтобы вы поняли, мы просто решим задачу на расчет теплоаккумулятора.

Задача: Рассчитать объем теплоаккумулятора при остывании за 18 часов(время разрядки). Время зарядки 6 часов. Рассчитать мощность котла для времени зарядки аккумулятора.

Теплопотери дома 10 кВт = 10000 Вт

Минимальная температура теплоносителя 60 градусов.

Максимальная температура теплоносителя 80 градусов.

Перепад температуры в теплоаккумуляторе равен 20 градусам – это разница между максимальной и минимальной температурой теплоносителя. Эта разница является запасом тепловой энергии в теплоаккумуляторе. Теплоаккумулятор будет разряжаться с 80 до 60 градусов отдавая тепло.

Мощность котла для зарядки теплоаккумулятора за 6 часов.

На сколько часов хватит теплоаккумулятора?

К примеру, возьмем емкость 1500 л = 1,5м3. Теплопотери дома 10 кВт.

Источник

Калькулятор расчета объема теплоаккумулятора

Чтобы работа системы отопления была максимально экономичной, но, естественно, без потери своей эффективности, имеет смысл аккумулировать выработанное ею тепло, не востребованное в текущий момент, с тем расчётом, чтобы использовать его в то время, когда котел «отдыхает». Эта проблема решается установкой теплоаккумулятора с соответствующей обвязкой.

Калькулятор расчета объема теплоаккумулятора

А как определить, какой объём воды потребуется, чтобы гарантированно сберечь весь выработанный котлом тепловой потенциал? Для этого имеется специальный алгоритм, и он воплощен в размещенный ниже калькулятор расчета объема теплоаккумулятора.

Необходимые пояснения будут приведены ниже.

Калькулятор расчета объема теплоаккумулятора

На чем строится и как проводится расчет?

Безусловно, монтаж, запуск и отладка сложной системы отопления должны проводиться специалистами, иак как существует множество нюансов, который может знать только опытный мастер. Тем не менее, минимально необходимый объем теплоаккумулятора можно рассчитать самостоятельно хотя бы с тех позиций, чтобы предусмотреть место, достаточное для его установки.

Особую важность теплоаккумулятор приобретает в системах отопления, в которых основными источниками тепла выступают твердотопливный или электрический котлы.

Функционирование котла, работающего на твёрдом топливе, имеет особенность – своеобразную цикличность. Заправка его топливом проводится с определенной периодичность. В процессе активного горения выработанное тепло может быть избыточным, невостребованным в текущий момент, так как хорошо настроенные контура со своими термостатическими регуляторами возьмут ровно столько, сколько им требуется. А вот после прогорания топлива, до очередной загрузки, следует период простоя, и в этот промежуток времени как раз и пригодится тот тепловой потенциал, который был накоплен в аккумуляторе.
С электрическим котлом – несколько другой «расклад». Имеет смысл основную его работу спланировать на время действия ночного льготного тарифа, а затем днем использовать накопленное за этот срок тепло.

Кроме того, теплоаккумулятор позволяет подключать к системе отопления и альтернативные источники тепловой энергии, например, солнечные коллекторы – в погожий день они способны дать весомую прибавку в общий энергетический потенциал.

Итак, что необходимо для расчета.

Указать паспортную номинальную тепловую мощность котла отопления.
Указать «период активности котла». Под этим условным термином понимается:

— для твердотопливного котла – известное хозяевам время прогорания топливной загрузки.

— для электрического котла – продолжительность действия ночного льготного тарифа на электроэнергию.

Рассчитанная для конкретного дома необходимая тепловая мощность для качественного отопления. В период «активности» котла значительная часть энергии будет уходить по прямому предназначению – на обогрев помещений.

Как самостоятельно произвести расчет необходимой тепловой мощности ? Можно перейти по ссылке к соответствующему калькулятору.

Необходимо сразу сделать важную ремарку – принято считать, что установка теплоаккумулятора тогда станет оправданной, когда мощность источника тепловой энергии хотя бы вдвое превышает потребное ее количество для качественного обогрева помещений.

Желательно учесть и КПД котла – как ни крути, а потери тепловой энергии в этом плане неизбежны.
Наконец, алгоритм расчета требует учета разницы температур в трубе подачи на входе из котла, и в «обратке». Необходимо указать соответствующие значения, которые, в принципе, несложно определить опытным путем.

Полученное значение (в литрах или в кубометрах) является минимальным.

Для чего нужен и как работает теплоаккумулятор?

Подробнее о достоинствах и недостатках, устройстве, схемах подключения и других нюансах, касающихся теплоаккумуляторов для котлов отопления – читайте в специальной публикации нашего портала.

Источник

Как рассчитать теплоаккумулятор для твердотопливного котла и выполнить его обвязку

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

Что такое буферная емкость

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Расчет буферной емкости

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

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

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

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

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

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

m = Q / 1.163 х Δt, где:

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

Для рассматриваемого примера масса воды в теплоаккумуляторе составит:

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

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

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

Подбор теплоаккумулятора

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

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

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

Схемы подключения

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

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

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

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

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

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

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

Альтернативная схема

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

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

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

Заключение

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

Источник