Akumulační nádrž v topném systému: účel a princip fungování

Moderní topné kotle jsou v mnoha ohledech lepší než stará cihlová kamna, ale v některých ohledech jsou také horší: protože nemají masivní prvky, nemohou akumulovat teplo.

Mezitím, jak uvidíme dále, může být taková schopnost velmi užitečná a někteří uživatelé, kteří si to uvědomují, vybavují svůj kotel tepelným akumulátorem.

Podívejme se, jakou roli hraje akumulační nádrž v topném systému a jak si ji můžete vyrobit svépomocí.

Princip činnosti a účel

Pro vybavení topného zařízení tepelným akumulátorem není třeba nic speciálního vymýšlet. Nedílná součást topného systému – teplonosná látka – si s touto rolí snadno poradí. Stačí jen výrazně zvětšit její objem a mírně upravit schéma zapojení kotle a spotřebičů.

K tomu vezměte velkou nádobu pokrytou tepelnou izolací (nazveme ji tepelný akumulátor – HA) a připojte ji ke kotli, jako by se jednalo o topný okruh. To znamená, že přívodní a vratné potrubí je vedeno z kotle do nádoby, přičemž první do ní vstupuje shora a druhé zespodu. Na „zpátečce“ je instalováno oběhové čerpadlo a membránová expanzní nádoba.

Dostaneme malý okruh „kotel – TA“. V tomto případě má ohřívač následující úkol: ohřát dostupnou zásobu chladiva v TA na maximální možnou teplotu – cca 90 – 95 C.

Princip činnosti expanzní nádoby

Na druhou stranu je jeden nebo více topných okruhů připojeno k TA, jako by se místo toho používal běžný kotel. V tomto případě je přívodní potrubí připojeno k TA shora a vratné potrubí je připojeno zespodu. Každý z okruhů má vlastní oběhové čerpadlo a expanzní nádrž, stejně jako směšovací jednotku.

Ten se skládá z propojky mezi „přívodem“ a „zpětným potrubím“, třícestných ventilů s nainstalovanými tepelnými hlavami a vzdáleného teplotního senzoru. Zatímco chladicí kapalina v okruhu má dostatečně vysokou teplotu, čerpadlo ji žene přes propojku v kruhu. Když se prostředí ochladí, aktivuje se teplotní senzor, který způsobí přepnutí ventilů tak, aby do okruhu vstoupila určitá část horké chladicí kapaliny z topného systému.

V tomto případě bude část studeného chladiva z okruhu vypouštěna do spodní části nádrže. Automatizace tak bude do topného okruhu opakovaně přimíchat přesně takové množství chladiva z akumulátoru, které je nezbytné k udržení požadované teploty v něm.

Je snadné vidět, že TA zároveň hraje roli hydraulické šipky. To znamená, že je k němu možné připojit okruhy pracující v různých teplotních režimech, například radiátorový systém a „teplou podlahu“.

Výhody a nevýhody akumulační nádrže

Podívejme se nyní, co uživatel získá použitím TA s ohřívači různých typů:

S elektrickým kotlem

Jak je známo, elektrické vytápění je nejen lepší než jakékoli jiné, co se týče snadnosti použití, ale lze jej také právem považovat za ideální. Posuďte sami:

• nevznikají žádné emise, což znamená, že komín není potřeba;
• absolutně tichý provoz;
• výkon odvodu tepla se pohybuje od 0 % do 100 % s konstantně vysokou účinností;
• snadno automatizovat.

Všechny tyto výhody ale překrývá jedna nevýhoda – vysoká cena elektřiny. Ti, kteří mají TA, mohou výrazně snížit náklady na elektrické vytápění. Faktem je, že spolu s obvyklou formou platby za dodávku elektřiny existuje tzv. multitarif, který stanoví různé ceny elektřiny ve dne i v noci.

Denní sazba je o něco vyšší než obvykle, ale noční sazba je asi 3krát nižší. Přechodem na tuto formu platby můžete používat elektrický kotel pouze v noci a přes den vytápět dům díky teplu akumulovanému v TA.

V topném systému je expanzní nádoba pro vytápění nedílnou součástí. Koneckonců, bez ní by systém jednoduše praskl. Pojďme se na tento mechanismus podívat podrobněji.

Zde je popsáno schéma instalace oběhového čerpadla v topném systému.

Podrobnější informace o tepelných akumulátorech si můžete přečíst v tomto tématu.

S kotlem na tuhá paliva

Zde je význam instalace TA zřejmý: uživatel bude moci méně často doplňovat palivo, což je cenné zejména v noci. To je ale jen „první výhoda“, která leží na povrchu. Faktem je, že kotle na tuhá paliva pracují s maximální účinností pouze v režimu jmenovitého výkonu.

Schéma zapojení tepelného akumulátoru

Pokud je topení „přišroubováno“ pomocí vzduchové klapky, což je nutné dělat po většinu topné sezóny, okamžitě se objeví celá řada nežádoucích jevů:

• účinnost prudce klesá (nedokonalé spalování paliva);
• zvyšuje se tvorba sazí a toxického kondenzátu;
• Výfukové plyny se stávají obzvláště toxickými kvůli zvýšenému obsahu oxidu uhelnatého a dalších parciálních oxidů, jakož i těžkých uhlovodíkových radikálů.

Díky tepelnému akumulátoru má uživatel možnost provozovat kotel na tuhá paliva pouze na maximální výkon i v mimosezóně: tepelný akumulátor absorbuje přebytečné teplo a poté ho postupně uvolňuje do topného systému.

S plynovým kotlem

Ve velké většině případů plynové kotle pracují v režimu „start-stop“, tj. periodicky se zapínají, aby ohřály chladicí kapalinu, a poté se opět vypnou. Bez vypnutí fungují pouze jednotky s modulovanými hořáky (jejich výkon je regulován), které jsou poměrně drahé.

Režim start-stop je doprovázen teplotními rozdíly, které zkracují životnost topných těles kotle. Navíc se snižujícím se zatížením topného systému (tání nebo mimosezóna) zvyšuje frekvence zapínání. Pokud existuje TA, plynový kotel bude stabilně pracovat při jmenovitém výkonu a poté se na dlouhou dobu vypne.

Vytápění soukromého domu plynovým kotlem

Je však třeba uznat, že se člověk bude muset vyrovnat s některými nedostatky:

• pro směšovací jednotku budete potřebovat alespoň dvě oběhová čerpadla, ventily a automatizaci;
• k akumulaci víceméně slušné zásoby tepla je zapotřebí velké množství chladicí kapaliny,

TA obvykle zabírá poměrně dost místa a vyžaduje základ.

Výpočet objemu akumulační nádrže pro vytápění

Ukažme si výpočet na příkladu s následujícími výchozími daty:

1. Tepelná ztráta v domě při nejnižší venkovní teplotě je 12 kW.
2. Doba, po kterou musí topidlo dodávat teplo do domu v nejchladnějším počasí, je 5 hodin.
3. Teplota chladicí kapaliny, pro kterou je topný systém navržen, je +60 °C.
4. Maximální teplota chladicí kapaliny v topném systému je +90 °C.

Postup výpočtu

Určíme celkové množství tepla, které musí TA akumulovat po dobu 5 hodin „provozu“:

Q = 12 * 5 = 60 kWh.

Vzhledem k tomu, že 1 kW*h = 3,6 MJ, dostaneme: Q = 60 * 3,6 = 216 MJ.

Potřebný objem chladicí kapaliny (vody) vypočítáme ze vzorce:

Q = m*c*(Tmax — Tmin),

• M — hmotnost vody;
• C je tepelná kapacita vody, při t = +60 °C c = 4182 J/kg*C, při t = +90 °C c = 4208 J/kg*C, pro výpočet bereme průměrnou hodnotu: c = 4195 J/kg*C;
• Tmax a Tmin jsou maximální a minimální teploty chladicí kapaliny v topném tělese, dle podmínky Tmax = +90 °C, Tmin = +60 °C.

Z tohoto vzorce zjistíme požadovanou hmotnost vody:

M = T / (c*(Tmax – Tmin)) = 216 000 000 / (4195* (90 – 60)) = 1716.33 kg.

Protože 1 kg vody má objem 1 l, budeme potřebovat nádrž o objemu 1717 l neboli 1,7 metru krychlového. Tento objem se rovná krychli s délkou hrany asi 1,2 m.

Uživatel by měl vzít v úvahu, že kotel musí mít 1,5 – 2krát větší výkon, než je potřeba, aby kompenzoval tepelné ztráty během nejchladnějšího období, protože bude zároveň obsluhovat topný systém a nabíjet TA.

Doporučení pro kutily

Jak si vyrobit akumulační nádrž v topném systému vlastníma rukama? Konstrukčně je TA nádoba, která obsahuje:

• kryt;
• vsuvky pro připojení potrubí;
• objímky pro instalaci tlakoměru a teploměru;
• bezpečnostní ventil.

Zásobní nádrž může být navíc vybavena:

• cívka pro ohřev vody pro potřeby domácnosti;
• cívka pro připojení solárního kolektoru;
• trubkové elektrické ohřívače (TEN).

Důležitá okolnost: aby se zabránilo nasycení chladicí kapaliny kyslíkem, musí být TA uzavřen. V tomto případě bude vystaven tlaku vyvíjenému oběhovým čerpadlem.

Obdélníková nádrž může za takových podmínek bobtnat, proto by měla být vyrobena ve tvaru válce s kulovým dnem a víkem.

Takovou nádobu bude nutné objednat v kovoobráběcím závodě, protože její výroba bude vyžadovat válce a hydraulický lis. Pro malý objem můžete použít hotovou nádrž určenou pro vysoký tlak, například:

• plynová láhev;
• přijímač z průmyslového kompresoru nebo z železničního vozu;
• starý kotel;
• zásobník kapalného dusíku.

Lze použít i obdélníkovou nádrž, ale pak ji bude nutné zevnitř vyztužit vázacími páskami vyrobenými z trubky o průměru 20 mm.

Věděli jste, že západoevropské země zakazují používání kotle na tuhá paliva bez tepelného akumulátoru? V naší zemi toto zařízení používá mnoho lidí. Tepelný akumulátor svépomocí je dobrý způsob, jak ušetřit peníze a zároveň zajistit bezpečnost topného systému.

Pokyny pro výrobu elektrického topného kotle vlastníma rukama jsou uvedeny na odkazu.

Jak izolovat tepelný akumulátor?

Nejlevnějším, a proto i nejoblíbenějším izolačním materiálem je polystyrenová pěna, kterou běžně nazýváme pěnový plast.

V tomto případě by se však neměl používat, protože tento materiál, stejně jako mnoho jiných polymerů, při zahřívání (od teploty +80 °C) uvolňuje znatelné množství těkavých látek škodlivých pro zdraví (výsledek tepelného rozkladu molekul polymeru).

Samozřejmě, v továrně vyráběných tepelných akumulátorech, stejně jako v kotlích, se používá polymerní tepelná izolace (obvykle polyuretanová pěna), ale tato zařízení mají utěsněný kryt, který je doma poměrně obtížné vyrobit.

Vhodnější možností izolace pro TA je minerální vlna, jejíž vlákna jsou vyrobena z čediče nebo skla. Dále je vhodné používat značky, u kterých roli pojiva nehraje fenolformaldehydová pryskyřice, ale akryl. Jako příklad lze uvést izolaci URSA PURE ONE a Knauf Insulation.

Video k tématu

• Předchozí příspěvek Jak regulovat teplotu topných baterií
• Další příspěvek Horkovzdušná pistole vlastní výroby: Jak si ji vyrobit