Теплоаккумулятор своими руками: расчет основных параметров, изготовление и обвязка

Не многие знают, что в странах Западной Европы на законодательном уровне запрещается использовать твердотопливный котел без теплоаккумулятора (ТА).

У нас такого запрета пока не ввели, но и без него уже довольно многие обзавелись этим устройством.

Какая в нем есть необходимость, и из чего можно сделать теплоаккумулятор своими руками – об этом пойдет речь в нашем материале.

Использование теплоаккумуляторов

От того, как именно сгорает твердое топливо в топке котла, зависит очень многое. Распознать режим горения можно по цвету пламени:

Белый цвет означает, что в топку подается чересчур большой объем воздуха и значительная часть тепла, которое могло бы быть усвоено, вылетает вместе с ним в дымоход.
Желтый цвет говорит о том, что топливо сгорает в оптимальном режиме: КПД котла в это время является максимальным, а выхлоп – наиболее экологичным. Котел проектируется так, чтобы на номинальной мощности он работал именно в таком режиме.
Красный цвет говорит о недостатке кислорода: топливо горит дольше и с меньшей теплоотдачей, но КПД при этом сильно падает, а в выхлопе содержится много тяжелых углеводородных радикалов (недоокисленные части молекул топлива) и большое количество угарного газа.

Приобретая котел, мы подбираем его мощность в расчете на самую низкую температуру, которая может наблюдаться в нашем регионе. И в сильный мороз отопитель работает на номинальной мощности, при которой топливо сгорает в оптимальном режиме. Но экстремальные холода царствуют недолго, и в остальное время заслонку приходится перекрывать, уменьшая теплоотдачу. При этом режим горения превращается из оптимального в наименее выгодный.

Владельцам русских печей такая проблема не знакома: данный агрегат всегда протапливается в оптимальном режиме, а избыток тепла накапливается кирпичным массивом и затем в течение долгого времени постепенно отдается в помещение.

Хорошо бы такую тактику применить и для стального или чугунного котла, но стенки таких приборов не обладают достаточной теплоемкостью. Остается только одно: создать и подключить к котлу отдельное устройство, способное аккумулировать тепло.

Теплоаккумулятор для котла отопления

Попутно уменьшается объем угарного газа в выбросах, а подкладывать дрова или уголь нужно будет гораздо реже. При этом возможность перегрева и закипания теплоносителя в теплообменнике котла почти полностью исключается.

Не помешает теплоаккумулятор и владельцу электрического котла. Ночью, как известно, электроэнергия стоит в 3 раза дешевле, чем днем. При наличии теплоаккумулятора можно перейти на дифференцированный тариф и пользоваться электрокотлом только ночью.

Для организации экономичного отопления, особенно если обогрев помещения осуществляется от твердотопливного или электрического котла, целесообразно устанавливать теплоаккумулятор для котлов отопления. О плюсах и минусах данной системы расскажем в статье.

О том, как изготовить и собрать теплообменник своими руками, читайте далее.

Решили приобрести газовый котел отечественного производства? Здесь https://4air.ru/otopitelnoe-oborudovanie/kotly/gazovyj-konord-otzyvy.html вы можете ознакомиться с отзывами пользователей газовых котлов Конорд.

Принцип работы

Проводя аналогию с русской печью, несложно догадаться, что под солидным термином «теплоаккумулятор» подразумевается просто большой объем какого-либо материала, имеющего значительную теплоемкость. В системах водяного отопления в этом качестве логичнее всего использовать сам теплоноситель – теплоемкость у воды достаточно велика.

Итак, накопитель тепла представляет собой большую емкость, заключенную в теплоизолирующую оболочку и заполненную водой. Применяются разные схемы подключения такого устройства, но принцип его работы остается неизменным: за счет избытка производимого котлом тепла вода в ТА нагревается до высокой температуры и впоследствии накопленное тепло постепенно отбирается в систему отопления.

Схема работы теплового аккумулятора

Помимо основной своей функции ТА может играть роль водонагревателя, для чего внутрь него достаточно встроить змеевик. Правда, получить горячую воду в больших объемах с его помощью не получится.

Зарядку ТА можно осуществлять не только при помощи котла, но и посредством солнечного коллектора – для этого в емкость также нужно встроить змеевик, через который будет протекать нагретый солнцем теплоноситель.

Простой тепловой аккумулятор своими руками

Теплоаккумулятор для твердотопливного котла изготовить своими руками довольно просто, если следовать инструкции. Создание ТА следует начинать с расчета его объема. Можно воспользоваться следующей методикой:

Задаемся исходными данными

Максимальная температура воды: Tmax = 90 градусов.

Минимальная температура воды: Tmin = 50 градусов.

Время работы без участия котла: t = 8 часов.

Также для расчета понадобится требуемая тепловая производительность системы отопления (СО).

Следует брать средний показатель, а не тот, который соответствует самым экстремальным морозам. В противном случае ТА получится неоправданно большим и дорогим, а для его зарядки понадобится очень мощный теплогенератор.

Самый правильный способ определить мощность теплоотдачи – рассчитать теплопотери дома. Но для примера мы воспользуемся упрощенной методикой, согласно которой для обогрева площади в 10 кв. м в самый холодный период зимы требуется 1 кВт тепла. Тогда максимальная мощность СО для дома площадью 200 кв. м составит 20 кВт, а средний показатель примем равным W = 10 кВт.

Расчет объема

Исходя из полученных данных, определим количество энергии, которое должен запасти ТА:

Q = W x t x 3600 (переводим часы в секунды) = 10000 х 8 х 3600 = 288 МДж.

Теплоемкость воды составляет (возьмем значение для температуры в 70 градусов): с = 4190 Дж/кг*градус.

Тогда воды нам понадобится:

m = Q/c(Tmax Tmin) = 288 000 000 / 4190 (90 50) = 1718 кг.

Принимая высоту емкости равной 2 м, определим площадь основания: S = 1,718 / 2 = 0.859 кв. м. Такую площадь будет иметь круг диаметром 1040 мм.

Для дальнейших расчетов понадобится площадь поверхности емкости без днища. Она будет равна S = 0.859 + 3.14х1,04х2 = 7,39 кв. м.

Расчет толщины теплоизоляции

Толщину теплоизоляции следует выбирать с учетом того, какая тепловая мощность требуется для отопления котельной. Теплопроводность современных теплоизоляционных материалов составляет Л = 0,040 Вт/м*градус. Следовательно, если взять теплоизолятор толщиной d = 100 мм (0,1 м), то из полностью заряженного ТА (температура воды – 90 градусов) в котельную будет проникать

q = S*(Tmax 20) * Л / d = 7,39 * (90 20) * 0,040 / 0,1 = 206,9 Вт тепла (20 – температура воздуха в помещении).

Если такой показатель не устраивает, толщину теплоизоляции нужно уменьшить.

Изготовление

Итак, рассмотрим, как изготовить теплоаккумулятор для котлов отопления своими руками. Проще всего изготовить ТА из готовой стальной бочки.

За неимением таковой емкость нужно будет сварить из стальных листов. Она должна выдерживать давление, на которое рассчитан теплообменник котла (обычно 3 атм).

Расположение штуцеров зависит от схемы подключения. Если ТА подключается в качестве гидравлического разделителя, то вверху и внизу в него нужно будет врезать по два штуцера, длина которых должна соответствовать толщине утеплителя.

Одна пара (верхний + нижний) врезается со стороны котла, другая – с противоположной (здесь будет подключаться отопительный контур). К нижним патрубкам нужно будет подсоединить тройники с термометрами.

Бочку оборачивают фольгой, а затем – утеплителем. В качестве последнего следует использовать материал, не выделяющий ядовитых испарений при контакте с горячими поверхностями.

Пенопласт этому условию не удовлетворяет – понадобится минеральная вата, причем такая, которая не содержит фенол-формальдегидных смол в качестве связующего. Такой утеплитель (базальтовая вата) выпускается для теплоизоляции дымоходов.

Остается обитую теплоизолятором емкость закрыть снаружи кожухом из жести или тонколистовой стали.

Теплоаккумулятор из бочки

Если ТА предполагается параллельно использовать для приготовления горячей воды, его нужно оборудовать змеевиком. Последний делается из медной трубы диаметром 20 мм.

В крышку емкости необходимо вмонтировать предохранительный клапан для сброса избыточного давления.

Чтобы гарантированно обезопасить СО от замерзания при долгом простое котла, установите в верхней части ТА электронагреватель (ТЭН) с термостатом, настроенным, к примеру, на температуру в 40 градусов.

Этапы установки теплоаккумулятора дома

Первым делом необходимо оценить несущую способность пола на месте установки. Она может оказаться недостаточной, поскольку вес ТА имеет довольно солидный. В таком случае необходимо соорудить бетонный фундамент. Поверх фундамента нужно уложить подсыпку из керамзита и уже на нее ставить бак.

Обвязка

В нашем примере применена схема обвязки с гидравлическим разделением, в которой ТА играет роль гидрострелки. Согласно ей, накопитель нужно подключать следующим образом:

С одной стороны – к котлу: подающий трубопровод (от котла) – к верхнему патрубку, обратный – к нижнему. При этом в обвязке котла, как обычно, делается перемычка с узлом подмеса, предотвращающим попадание в теплообменник холодной воды.
С другой стороны – к отопительному контуру, также снабженному перемычкой и узлом подмеса. Забор воды в контур должен осуществляться сверху, а возврат – снизу.

В каждый контур врезается по циркуляционному насосу. Тот, который установлен между ТА и котлом, прогоняет теплоноситель через теплогенератор, заряжая накопитель. Второй насос, установленный на стороне отопительного контура, гоняет теплоноситель через радиаторы.

Теплоаккумулятор схема монтажа

Как только его температура опустится ниже определенной отметки, откроется клапан смесительного узла и в контур поступит из ТА новая порция горячей воды.

Настройка

Для правильного движения среды внутри теплоаккумулятора нужно добиться, чтобы насос между ТА и котлом прокачивал больше жидкости, чем второй агрегат.

Для того чтобы точно определить мощность каждого насоса, пришлось бы выполнить сложнейший гидравлический расчет, ведь сопротивления контуров значительно отличаются. На практике вместо этого предусматривают возможность регулировки производительности каждого нагнетателя, что дает возможность точно согласовать их работу.

Есть два пути:

Установить нагнетатели со ступенчато регулируемой скоростью вращения двигателя. Сегодня в продаже можно найти 3-скоростные циркуляционные насосы.
В точке подключения обратки отопительного контура к тепловому аккумулятору можно установить регулирующий вентиль. Меняя его проходное сечение, мы добьемся изменения расхода через циркуляционный насос отопительного контура.

Настройку производительности насосов осуществляют при полностью открытом смесительном клапане отопительного контура. При правильной балансировке температура на термометре со стороны отопительного контура должна быть ниже, чем на термометре со стороны котла.

Владельцу автономной отопительной системы необходимо знать, как осуществить ремонт циркуляционного насоса своими руками в случае неожиданной поломки и невозможности обратиться к специалистам. Разберем методы определения и устранения неисправностей.