Kiedy potrzebne są zbiorniki akumulacyjne i buforowe?

Czego dowiesz się z artykułu?

• Kiedy potrzebne są zbiorniki akumulacyjne?
• Kiedy potrzebne są zbiorniki wody grzewczej, tzw. bufory?
• Co się stanie w instalacji bez zbiornika akumulacyjnego lub buforowego?
• Jak działa zasobnik wody grzewczej jako wymiennik ciepła?
• Jak wykorzystać ciepło z wielu źródeł?
• W jaki sposób zbiornik akumulacyjny podgrzewa c.w.u.?
• Jaki powinien być osprzęt w instalacjach grzewczych ze zbiornikami akumulacyjnymi?

Kiedy potrzebne są zbiorniki akumulacyjne?

Ilość ciepła wytwarzanego w danej chwili w instalacji nie odpowiada dokładnie zapotrzebowaniu. Najlepiej wiedzą o tym użytkownicy kotłów zasypowych, kominków z płaszczem wodnym oraz instalacji solarnych.

Kotły na paliwa stałe (węgiel, drewno, pellety) osiągają bardzo wysoką, deklarowaną przez wytwórców sprawność, tylko gdy pracują z mocą nominalną. Kłopot w tym, że jest ona potrzebna wyłącznie w największe mrozy, gdy temperatura spada do około -20°C. A takich dni mamy w sezonie zaledwie kilka. W efekcie kocioł w teorii ma sprawność 80%, a rzeczywista średnia sezonowa wynosi 50-60%. Oznacza to, że nawet połowa opału została spalona bez żadnego pożytku. Innymi słowy, zmarnowaliśmy połowę wydanych pieniędzy.

Spalanie z mocą znacznie niższą od nominalnej jest nie tylko nieefektywne. Poza tym powstaje przy nim bardzo dużo zanieczyszczeń. Trujemy w ten sposób swoje najbliższe otoczenie, a w kotle i kominie gromadzi się bardzo dużo sadzy (to niespalone cząsteczki węgla).

Sprawność i czystość spalania można znacznie poprawić, instalując pomiędzy kotłem a grzejnikami duży zasobnik wody grzewczej. Wówczas kocioł nagrzewa wodę w zbiorniku niezależnie od tego, czy grzejniki odbierają ciepło czy nie. Chwilowe zmiany na ciepło w pomieszczeniach nie mają więc znaczenia dla pracy kotła. Może on zawsze działać z mocą nominalną, przy której osiąga największą sprawność. Oczywiście nadmiar ciepła zgromadzony w zbiorniku można wykorzystać później, gdy kocioł (lub kominek z płaszczem wodnym) już nie pracuje.

Kominki z płaszczem wodnym i kotły na paliwa stałe osiągają wysoką sprawność tylko w czasie pracy z mocą nominalną. Dlatego powinno się je łączyć ze zbiornikami akumulacyjnymi, które zapewniają ciągły odbiór ciepła, fot. Makroterm.

Zastosowanie tzw. hamulca konwekcyjnego zapobiega wychładzaniu zbiornika akumulacyjnego przez kocioł, gdy ten ostatni już nie pracuje.

Zaletą układu z dużym zbiornikiem akumulacyjnym jest też stabilizacja temperatury wody w instalacji. Chwilowe zwiększenie intensywności palenia, typowe np. dla kominków z płaszczem wodnym, albo przerwanie odbioru ciepła przez grzejniki nie spowoduje wrzenia wody. Dla podgrzania dużej ilości wody potrzeba znacznie więcej ciepła.

Jeśli ruch ciepłej wody pomiędzy kotłem lub kominkiem a zasobnikiem odbywa się grawitacyjnie - bez pompy - to taki układ jest mało podatny na przegrzanie w wyniku braku prądu.

Zbiorniki akumulacyjne należy szczególnie polecić użytkownikom kotłów zasypowych (bez podajnika) oraz kominków z płaszczem wodnym.Ich mocą wyjątkowo trudno jest sterować, a jej zmniejszenie powoduje opisany wcześniej spadek sprawności oraz pogorszenie czystości spalania.

Zbiornik akumulacyjny trzeba traktować jako niezbędne uzupełnienie kotła zgazowującego drewno. Proces wydzielania i spalania gazu drzewnego wymaga utrzymania wysokiej temperatury w kotle. W związku z tym, musi on pracować z pełną mocą, a nie zdławiony.

Zbiornik akumulacyjny, nawet dla kotła o mocy kilkunastu kW, powinien mieć przynajmniej 500 l pojemności, najczęściej stosuje się ok. 1000 l. Taki zasobnik ma niestety dwie istotne wady. Pierwszą jest wysoka cena - przynajmniej 2500 zł za zasobnik 1000 l. Drugą zaś jest spora wielkość. Przy takiej pojemności, walec o średnicy 80 cm ma 2 metry wysokości. Nie w każdym domu znajdzie się dla niego miejsce.

Najprostszy wariant zastosowania zbiornika akumulacyjnego - bez wężownic.

Kiedy potrzebne są zbiorniki wody grzewczej, tzw. bufory?

W wielu instalacjach z kotłami gazowymi i pompami ciepła umieszcza się względnie niewielkie (np. 200 l) zbiorniki wody grzewczej. Celem ich stosowania nie jest gromadzenie dużej ilości ciepła na później, lecz jedynie zwiększenie objętości wody w instalacji, czyli tzw. zładu.

Kiedy to rozwiązanie ma sens?

Wyobraźmy sobie budynek z grzejnikami ściennymi, które dzięki małej pojemności i zaworom z głowicami termostatycznymi, szybko reagują na zmiany zapotrzebowania na ciepło. Niech nasz przykładowy dom ma przy tym lekką konstrukcję, która nie akumuluje (nie gromadzi) ciepła. Może to być np. beton komórkowy, a jeszcze lepiej dom szkieletowy, tzw. dom kanadyjski. Do pełnego obrazu dodajmy jeszcze kocioł o zawyżonej mocy, bo przeciętny inwestor prędzej kupi kocioł o mocy 20 kW, a nie 10 kW, nawet jeśli z projektu wynika, że w zupełności wystarczyłoby 8 kW.

Załóżmy teraz, że w wiosenny dzień kocioł dostał sygnał z czujnika temperatury w pokoju: trzeba grzać! A więc zaczyna to robić. Ale, jako że jego moc jest zawyżona, a straty ciepła w pomieszczeniach niewielkie, to po 15 minutach temperatura już się podniosła. Kocioł się wyłączył. Taka sytuacja może się powtarzać wielokrotnie w ciągu doby. Niestety, praca w krótkich cyklach wpływa bardzo negatywnie na sprawność i trwałość kotłów (a także pomp ciepła).

Zbiornik wody grzewczej pomiędzy kotłem a grzejnikami pełni w takiej instalacji rolę bufora. Jeśli pobór ciepła jest niewielki i krótkotrwały, do jego pokrycia wystarczy woda zgromadzona w zasobniku. Kocioł się wówczas w ogóle nie załączy. Jeśli zaś już zadziała, to będzie pracował dłużej. Pokryje zapotrzebowanie na ciepło w pomieszczeniach oraz podgrzeje wodę w zbiorniku. Sposób pracy jest analogiczny do gazowego kotła dwufunkcyjnego, wyposażonego w niewielki zasobnik wody użytkowej. Gdy chcemy jedynie umyć ręce, wykorzystujemy wodę ze zbiornika, a kocioł się nie załącza. Jeśli zaś trzeba będzie napełnić wannę, to po wyczerpaniu zasobnika, kocioł zacznie podgrzewać wodę przepływowo.

Co się stanie w instalacji bez zbiornika akumulacyjnego lub buforowego?

Co się stanie w typowej instalacji, bez zbiornika akumulacyjnego lub buforowego, jeśli przepływ wody przez grzejniki zostanie przerwany, np. przez ich głowice termostatyczne na zaworach? Ustanie ruch wody w całym układzie - także przez kocioł. Bilans przecież musi wyjść na zero - ile wody wypłynie z kotła, tyle musi przejść przez grzejniki, a następnie powrócić do kotła. Niestety kocioł potrzebuje do pracy pewnego minimalnego przepływu wody. Jeżeli większość zaworów przygrzejnikowych zostanie zamkniętych, ten warunek może nie być spełniony. A wtedy ruch wody ustaje w całej instalacji, choć nie wszystkie pomieszczenia ogrzały się dostatecznie.

Pomiędzy kocioł i grzejniki wstawmy teraz zasobnik wody z doprowadzonymi 4 króćcami: zasilającym i powrotnym kotła oraz zasilającym i powrotnym grzejników. Co się stanie, gdy w takim układzie zamkniemy przepływ wody przez większość grzejników? Ano nic, kocioł będzie działał dalej. Jedynie część przepływającej przez niego wody zacznie krążyć w krótszym obiegu: kocioł - zasobnik - kocioł. Taki zasobnik uniezależnia przepływ przez kocioł od przepływu przez grzejniki, pełni więc rolę tzw. sprzęgła hydraulicznego.

Zasobnik wody grzewczej jako wymiennik ciepła

Zasobnik wody grzewczej wyposażony w przynajmniej jedną wężownicę jest też wymiennikiem ciepła. Woda przepływająca przez zbiornik nie miesza się z tą krążącą w wężownicy, ale następuje pomiędzy nimi wymiana ciepła (przez ścianki wężownicy).

To alternatywa dla dość popularnych wymienników płytowych, rozdzielających np. obieg kotłowy (zwykle otwarty) od grzejnikowego (najczęściej zamkniętego). Zasobnik z wężownicą jest przy tym pod wieloma względami lepszy, niż wymiennik płytowy. Wadą jest zaś to, że zajmuje więcej miejsca. Opory przepływu w zasobniku oraz w wężownicy są bardzo małe w porównaniu z wymiennikiem płytowym. Jeśli w zbiorniku jest otwór rewizyjny, to można go łatwo oczyścić z osadów (kamienia). No i ważny aspekt, opisany już przy zbiornikach akumulacyjnych - temperatura wody nie zmienia się gwałtownie.

Wykorzystaj ciepło z wielu źródeł

Instalacja, w której mamy kilka źródeł ciepła, np. kocioł gazowy i kominek z płaszczem wodnym albo kocioł na paliwa stałe, powinna być wyposażona w zbiornik buforowy, a jeszcze lepiej - akumulacyjny.

Ciepło z każdego z tych źródeł ogrzewa wodę w zbiorniku. Czerpane zaś z niego trafia do grzejników (a ostatecznie do ogrzewanych wnętrz). W razie potrzeby, za pomocą wężownic, możemy rozdzielić obiegi wody.

Przykładowo:

• kocioł gazowy - pierwsza wężownica;
• grzejniki - druga wężownica;
• kocioł na drewno - bez wężownicy.

Niezależnie od tego, które źródło naładuje zasobnik ciepłem, grzejniki zawsze będą mogły je wykorzystać.

Zasobnik ciepła umożliwia zasilanie grzejników ciepłem pochodzącym z kilku niezależnych źródeł.

Zbiornik akumulacyjny do podgrzewania c.w.u.

Ciepło zgromadzone w zbiorniku akumulacyjnym można wykorzystać również do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), niezbędnej do kąpieli, zmywania itp. Można to zrealizować na 3 sposoby:

• zbiornik c.w.u. umieszczony wewnątrz odpowiednio dużego zbiornika akumulacyjnego. Zasada działania jest identyczna, jak w dwupłaszczowych zasobnikach c.w.u. - zasobnik z ciepłą wodą użytkową ogrzewa się od otaczającej go wody w zbiorniku akumulacyjnym;
• wężownica o dużej powierzchni, zasilana wodą wodociągową, znajduje się wewnątrz zbiornika akumulacyjnego. W momencie poboru c.w.u., woda w wężownicy ogrzewa się przepływowo;
• wężownica wewnątrz zbiornika akumulacyjnego łączy się z zewnętrznym zasobnikiem c.w.u. 

W ostatnim układzie - w przeciwieństwie do dwóch poprzednich - można łatwo przerwać dalsze nagrzewanie się wody użytkowej od wody zgromadzonej w zbiorniku akumulacyjnym. Wystarczy zawór na połączeniu zbiornika c.w.u. z wężownicą. Po jego zamknięciu, ruch wody w wężownicy - a więc i wymiana ciepła - ustaje. Woda w zbiorniku akumulacyjnym może mieć nawet 90°C, a ogrzewanie c.w.u. kończymy np. przy 60°C. Jeśli zaś ruch wody w wężownicy wymusza pompa, to cyrkulację zatrzyma samo jej wyłączenie.

Wężownica umieszczona w zbiorniku akumulacyjnym może służyć do przepływowego przygotowania c.w.u..

Osprzęt w instalacjach grzewczych ze zbiornikami akumulacyjnymi

W instalacjach grzewczych ze zbiornikami akumulacyjnymi jest stosowany rozmaity osprzęt dodatkowy: zawory (odcinające, mieszające), pompy obiegowe, zasilacze awaryjne (UPS), czujniki temperatury, grzałki elektryczne oraz wiele innych.

Przede wszystkim trzeba podkreślić, że nie ma jednej idealnej konfiguracji, zaś proste instalacje niejednokrotnie w praktyce działają lepiej, niż skomplikowane i pełne drogiego osprzętu. Wiele zależy od wiedzy, doświadczenia i pomysłowości specjalistów - projektanta i instalatora. Tym bardziej, że ten sam efekt można osiągnąć na różne sposoby, a o dobrym lub złym działaniu jakiegoś rozwiązania często decydują detale.

Przykładowo, kocioł węglowy powinien być zabezpieczony przed powrotem wody o zbyt niskiej temperaturze. Można to osiągnąć, montując na powrocie termostatyczny zawór mieszający, ale to samo zapewnia też grawitacyjny obieg wody pomiędzy kotłem i zbiornikiem akumulacyjnym. Taki układ nie wszędzie da się jednak zastosować (siła zapewniająca ruch wody jest bardzo mała).

Trójdrogowy zawór mieszający to najpopularniejszy sposób na zapewnienie odpowiednio wysokiej temperatury wody powracającej do kotła, fot. Afriso.

Po co zaś w układzie ze zbiornikiem wody grzewczej grzałki elektryczne? Umieszczając je w zbiorniku, uzyskujemy rezerwowe, bezobsługowe źródło ciepła. Jeśli mamy kocioł na paliwo stałe, może to być bardzo dobre rozwiązanie zabezpieczające dom przed mrozem na czas naszej dłuższej nieobecności. I co ważne, koszty inwestycji będą niskie - zapłacimy znacznie mniej, niż za kocioł elektryczny.

Jarosław Antkiewicz

fot. otwierająca: Galmet