Теплоаккумулятор в твердотопливном котле: формула расчета

В Украине газификацией могут похвастать далеко не все регионы. Во многих районах нет газопровода, электроэнергия подается с частыми перебоями. В таких условиях для комфортной обстановки дома оптимальным решением будет установка твердотопливного котла. Это металлическое отопительное устройство, вырабатывающее тепловую энергию за счет сжигания твердых видов топлива. Его эксплуатация отличается от электрических и газовых котлов:

1. Все стандартные стальные и чугунные котлы с объемным горением топлива обеспечивают свой паспортный КПД в режиме максимального горения. Так как мощность котла выбирается согласно пиковых теплопотерь, а они припадают лишь на незначительный период отопительного сезона, то имеем ситуацию, когда котел большую часть отопительного сезона работает в режиме неполной мощности. Мощность не рекомендуется снижать меньше, чем на 50-60%, что приводит к перерасходу топлива, засорению топки и дымохода.
2. Необходимость периодической дозагрузки топлива в котел. Большинство стандартных котлов имеют небольшие по объему камеры сгорания, потому закладка топлива (опять же, касается дров) перегорает за 2-3 часа. Каменный уголь перегорает гораздо дольше, однако стоит дороже, поэтому древесина лидирует по популярности.
3. На сегодня большинство систем отопления проектируются закрытыми, с принудительной циркуляцией теплоносителя. Опасность эксплуатации повышается. При перебоях электричества может остановиться циркуляционный насос или закипеть теплоноситель.

То есть безопасная, комфортная и экономичная эксплуатация – вот для чего нужен теплоаккумулятор в системе отопления. Буфер или теплоаккумулятор для твердотопливного котла представляет собой не эмалированную металлическую теплоизолированную емкость с присоединительными патрубками контуров отопительной системы и котла.

Буферная емкость для твердотопливного котла при максимальной мощности работы аккумулирует тепло, а затем по мере необходимости выпускает его в отопительную систему. 1 и 2 отличия эксплуатации таким образом полностью сглаживаются, поскольку тепло не теряется, и топливо сгорает эффективно. Крайне важно правильно произвести расчет буферной емкости.

Сегодня можно увидеть множество методик расчета баков-аккумуляторов. Например, 25 или 50 литров обьема бака на 1 кВт мощности котла. Однако такие расчеты не учитывают ни температурный режим отопительной системы, ни используемое топливо в котлах, а, самое главное, нет определения функции бака — аккумулирование тепла или иные цели.

Итак, имеем небольшой жилой дом с отапливаемой площадью 150 кв.м. Расчетные теплопотери 10 кВт ( утепление согласно современным нормам ). Отопление радиаторное, температурный режим 70/50. Имеем стандартный твердотопливный котел — чугунный Demrad Solidmaster 5S с тепловой мощностью на дровах 23 кВт. Объем топки 70 литров, количество загружаемых дров с учетом плотности дубовых дров 600 кг на 1 куб.м. и коэффициента закладки топлива 0,5 составляет: 70 х 0,6 х 0,5 = 21 кг. Теплотворная способность древесины (сухой дуб) с учетом КПД котла составляет 3 кВт на 1 кг. Таким образом разовая закладка топлива выдаст 21х3 = 63 кВт. Закладка топлива сгорит за 63/23 = 2,7 часа, округлим до 3-х часов.

При потребности в тепле 10 кВт (пиковые теплопотери) из 23 кВт номинальной мощности 10 кВт передается в систему, а 13 кВт необходимо запасти. За 3 часа работы закладки система потребит 10х3 = 30 кВт, а запасет 13х3 = 39 кВт, которые система будет потреблять после прогорания закладки еще в течении 39/10 = 3,9, то есть почти 4 часа. При использовании теплоаккумулятора закладки топлива хватит на 3+4 = 7 часов непрерывной работы.

Чтоб запасти 39 кВт тепла необходимо рассчитать объем бака с учетом температурного режима системы. Температура в теплоаккумуляторе не может превышать +95С, а температура подачи на систему +70С. Имеем запас по температуре 95-70 = 25С.

Объем теплоаккумулятора = 39000 Вт/ (1,163х25) = 1334 литра. Данное значение является минимально необходимым. Его можно округлить до 1500 литров.

При повышении наружной температуры и соответственно уменьшении потребности в тепле время работы от зарядки теплоаккумулятора увеличивается. Так как при температурах наружного воздуха -22С и 0С значение теплопотерь отличаются в 2 раза, то, соответственно, при околонулевой температуре запаса тепла хватит на 7х2 = 14 часов.

При нулевых температурах потребность в тепле составит около 5 м. Тогда бак будет запасать (23-5) х 3 = 54 кВт тепла, которого достаточно для обеспечения теплом в течении 54/5 = 10-11 часов. Увеличивается запасаемая мощность и увеличивается запас температур.

Система отопления с буферной емкостью для правильного функционирования требует:

1. Расчет количества тепла для запаса мощности в зависимости от длительности работы.
2. Определения температурного графика системы отопления.
3. Определения уровня теплопотерь помещения.

Необходимо рассчитать объем буферной емкости, основываясь на этих трех пунктах. Потому что мощность собственно котла подбирается именно под объем буфера, а не под теплопотери. Заряжаться до двукратного запаса мощности буфер при правильной схеме должен за одну-две протопки котла.

В нашем случае котел мощностью 23 кВт обеспечит первоначальный нагрев аккумулятора (при комнатной температуре теплоносителя) за (1500х(95-20)х1,163)/23000 = 5,5 часов, то есть почти за 2 протопки. В дальнейшем, во время эксплуатации нижняя температура теплоносителя вряд ли будет опускаться ниже 40С, и потому нагрев бака будет происходить за одну-полторы протопки, что полностью удовлетворяет указанные требования.

Таким образом наш котел работает с максимальным КПД на протяжении всего отопительного сезона и обеспечивает вполне комфортные условия эксплуатации со временем работы разовой загрузки котла от 7 до 14 часов. На лицо выполнение тепловым аккумулятором своих функций в полном объеме.

Накопительный бак с функцией «буферная емкость» подразумевает, как правило, защиту твердотопливного котла от аварий, связанных с закипанием теплоносителя. Буферная емкость имеет различные варианты монтажа в отопительные системы.

Подходящий вариант установки подбирается индивидуально в зависимости от схемы дома и других факторов. Возможно вмонтировать буферную емкость последовательно котел-бак-система отопления как теплоаккумулятор. Также можно подключить котел напрямую к системе отопления, тогда тепло будет накапливаться в буфере через переключающиеся клапаны.

Буферы также служат для уменьшения частоты включения и выключения (тактования) горелочного устройства котла.

Что касается расчета объема буферных баков, то можно встретить 2 варианта:

• Так же, как и с аккумуляторами тепла, определенное количество теплоносителя на 1 кВт мощности котла.
• Формула расчета, которая приводится в документации на многие иностранные котлы:

Объем буфера = 15 х Н х Qк х (1-0,3 х (Qп/Qмин), где:

Н — время горения котла при номинальной мощности, ч.

Qк — номинальная тепловая мощность котла, кВт.

Qп — теплопотери отапливаемого помещения. кВт

Qмин — минимальная тепловая мощность котла. кВт

Пример. Тот же твердотопливный котел Demrad Solidmaster 5S с мощностью на дровах 23 кВт. Время горения закладки 3 часа. Минимальную мощность котла с учетом незначительного диапазона регулировки примем за 20 кВт. Теплопотери помещения 20 кВт, то есть котел подобран аккурат в номинал. Имеем следующий расчет:

Объем буфера = 15 х 3 х 23 х (1-0,3 х (20/20)) = 724 литра. Округлим до 750 литров.

Формула позволяет рассчитать защиту от закипания, поскольку учитывает мощность котла и длительность горения закладки в максимальном режиме.

Рассмотренные примеры дают определение основных параметров выбора необходимого объема бака и объясняют, по каким принципам его рассчитывают. Перед установкой данного типа теплового оборудования следует детально изучить все факторы и условия его эксплуатации.