Akumulační monovalentní zdroje pro vytápění a přípravu teplé vody
1. Obecný princip
Akumulace tepla do vody má výhodu v základní vlastnosti vody, kterou je vysoká měrná tepelná kapacita. Zároveň voda není jen akumulátor tepla, ale je i teplonosnou látkou a podílí se přímo na přenosu tepla. Vodou se nejčastěji zajišťuje přenos tepla od zdroje - kotle, solárního kolektoru nebo obecně výměníku tepla do zásobníku tepla. Zároveň se přímo vodou přenáší i teplo na místo odběru do otopné soustavy k otopným tělesům, vzduchovým výměníkům apod. U vodního zásobníku tepla není zároveň nutná transformace tepla mezi zásobníkem tepla a teplonosnou látkou. Vodní zásobník tepla je mezičlánkem mezi zdrojem tepla a odběrem tepla, který má řadu funkcí. Slouží např. pro:
- vyrovnání nerovnoměrnosti výkonu zdroje (kotle) a výkonu otopné soustavy (otopných těles),
- vyrovnání hydraulické nerovnoměrnosti teplovodního okruhu zdroje a teplovodního okruhu otopné soustavy,
- nepravidelnost a nerovnoměrnost v dodávce tepla od zdroje,
- vyrovnání nárazového odběru tepla nad výkonové možnosti zdroje,
- využití různých zdrojů tepla s časově nepravidelným, výkonově nerovnoměrným provozem s paralelním připojením zdrojů, které by bez ZT nebylo možné využívat.
Rozhodujícími parametry zásobníku tepla jsou:
- teplota vody - pracovní teplota, teplotní rozdíl, nejvyšší a nejnižší teplota vody v zásobníku,
- průtok vody - rychlost proudění vody, průtok dodávaného a průtok odebíraného množství vody,
- objem zásobníku vody - výška zásobníku, válcový tvar, interval dobíjení a vybíjení,
- režim provozu - regulace.
2. Regulace výkonu zdroje
Zásobník tepla dovoluje jednoduché, levné a účinné regulování výkonu zdroje. Složitá a náročná regulace spalovacího procesu v kotli je převedena na regulaci teploty otopné vody.
Do zásobníku tepla se dodává teplo plněním ohřívané vody do objemu zásobníku z topného zdroje. Podle potřeb odběru je pak teplo odebíráno nezávisle na dodávce tepla. Dodávka tepla do zásobníku tepla znamená zvyšování teploty otopné vody v zásobníku. Odběrem teplé otopné vody a přívodem chladnější zpětné vody ze soustavy snižujeme teplotu vody v zásobníku tepla. Při přímém napojení zdroje na soustavu se musí proměnnému výkonu u odběru přizpůsobit výkon kotle. Zjednodušeně lze považovat snížení výkonu kotle za snížení teploty výstupní otopné vody. Při konstantním průtoku otopné vody výměníkem kotle je teplotní spád mezi vstupní a výstupní teplotou do/z kotle přibližně konstantní.
Regulace spalováním paliva pro snížení výkonu kotle zhoršuje většinou spalovací proces, a to může vést k:
- snížení provozní účinnosti,
- zvýšení koncentrace škodlivin ze spalovacího procesu,
- náročné a tím nákladné regulaci zařízení s vyšším počtem poruch a s vyššími požadavky na seřizování.
Regulace požadované teploty do otopného systému se zajišťuje pomocí směšovacího trojcestného ventilu. K základním výhodám z hlediska regulace výkonu zdroje tepla se zásobníkem tepla je:
- možnost použití rychloohřívacího kotle s neregulovaným výkonem, tedy s levným a jednoduchým hořákem,
- přesun regulace spalovacího procesu na regulaci teploty otopné vody, která je vždy jednodušší a účinnější,
- účinný přenos tepla do vody u rychloohřívacího kotle se stálým a vyšším průtokem než u kotle s velkým vodním obsahem - přenos objemu vody z kotle do zásobníku tepla.
- ekologický a účinný provoz kotle při jmenovitém výkonu s využitím intervalu provozu, který lze prodloužit:
- počtem kotlových jednotek, zapojených v kaskádě,
- vyšší velikostí zásobníku tepla.
3. Zásobník tepla kondenzačních kotlů
Za kondenzační zdroje považujeme téměř výhradně plynové kotle, u nichž jsou spaliny ochlazovány ve výměníku kotle pod teplotu rosného bodu spalin. Při kondenzaci vodní páry ve spalinách je tak využito skupenské teplo. Spaliny, které vznikají od spalování, např. zemního plynu, s vysokým podílem vodíku v palivu, mají největší vlhkost a tím i vysokou teplotu rosného bodu. Nejvíce tepla z kondenzace vodní páry se získá při:
- nízké teplotě zpětné otopné vody do kotle,
- co nejnižším přebytku vzduchu při spalování, zejména při provozu na nízký výkon zdroje.
Zásobník tepla připojený na kondenzační kotel dovoluje:
- zajistit nízkou teplotu zpětné vody, ať již z otopné soustavy nebo od ohřevu teplé vody (TV),
- spalování v kotli s trvale nízkým přebytkem vzduchu, neboť kotel je provozován pouze na jmenovitý výkon,
- ekologické spalování v kotli s delšími nastavenými intervaly plynulého provozu kotle v závislosti na velikosti zásobníku a množství odebíraného tepla otopnou soustavou.
Z uvedeného vyplývá, že při provozu kondenzačního kotle na jmenovitý výkon (při nejnižším přebytku vzduchu) je dosahováno nejvyšší účinnosti. Je to dáno tím, že při nízkém přebytku vzduchu je rosný bod spalin nejvyšší.
Snížením zapínacího cyklu, prodloužením provozu kondenzačního kotle a provozu na jmenovitý výkon se dosahuje nejnižší koncentrace škodlivin ve spalinách.
Zařízení kondenzačního kotle se zásobníkem tepla je účinné a ekologické.
3.1 Napojení kondenzačního kotle na zásobník tepla (obr. 1)
Zapojení kondenzačního kotle na zásobník tepla řeší požadavky na vysoce účinný provoz s nízkou produkcí škodlivin a nízkou pořizovací cenou. Kombinace kondenzačního kotle se zásobníkem tepla podle "Užitného vzoru č. 11 826 Zásobník tepla kondenzačního kotle a sestava pro ohřev užitkové vody a/nebo vytápění" je na obr. 1 ve funkčním schématu sestavy kondenzačního kotle a zásobníku tepla, kde:
- K je kondenzační kotel s neregulovaným jmenovitým výkonem.
- ZT je zásobník tepla s vestavěným průtokovým ohřívačem SV (spirálový výměník pro průtokový ohřev TV)
- OS je připojená teplovodní otopná soustava.
- S a T je připojení studené a teplé užitkové vody, případně C - cirkulace.
Obr. 1 Příklad zapojení kondenzačního kotle na zásobník tepla kondenzačních kotlů (ZTKK)
Legenda k Obr.1:
K - kondenzační kotel, ZT (10) - zásobník tepla (otopné vody)
S - přívod studené vody, T - výstup TV, C - cirkulace TV
OS - otopná soustava
Teploměr:
Z - pro zapínání kotle (nabíjení), V - pro vypínání kotle
Oběhové čerpadlo:
Č1 - kotlového okruhu, Č2 - otopné soustavy, Č3 - ohřevu TV
Č4 - cirkulace TV
Připojovací hrdlo zásobníku ZT:
11 - pro výstup do kotle, 12 - pro přívod z otopné soustavy
13 - pro přívod z kotle, 14 - pro výstup do otopné soustavy
15 - pro výstup do ohřívače TV
Armatury, zařízení, čidla:
16 - výstup otopné vody z ohřívače TV, 17 - výměník ohřevu cirkulace, 18 - směšovací ventil TV, 19 - čidlo provozu TV - vytápění, 20 - směšovací ventil ekvitermní regulace OS, 21 - zpětný ventil - studená voda, 22 - zpětný ventil - cirkulace, 23 - spirálová plocha výměníku TV, 24 - čidlo teploty na výstupu z ohřívače TV, 25 - směšovací potrubí OS
Pro kombinaci kondenzačního kotle K se zásobníkem tepla ZT je výhodné, aby kotel byl:
- s malým vodním obsahem, tj. rychloohřívací, s nuceným průtokem vody výměníkem kotle pro kondenzační provoz,
- s hořákem provozovaným pouze na jmenovitý výkon, a tím:
- s nastavením na nejnižší stálý přebytek vzduchu při spalování, který je nejpříznivější pro režim kondenzace spalin,
- s velmi účinným ekologickým provozem, neboť tlakové i funkční parametry vzduchu a topného plynu jsou nastaveny nejoptimálněji pro spalování i pro produkci škodlivin,
- pro použití velmi jednoduchého hořáku s provozem zapnuto/vypnuto bez náročné regulace, tudíž s nízkou cenou.
Zásobník tepla ZTKK vytváří:
- vyrovnávací spojku mezi kondenzačním kotlem K a otopnou soustavou OS pro různé průtoky mezi okruhem kotle a okruhem soustavy,
- přepínání provozu vytápění (čerpadlo Č2) a ohřevu TV (čerpadlo Č3),
- soustředění ochlazované zpětné vody u dna zásobníku pro výhodné napojení na kondenzační kotel,
- soustředění nejteplejší otopné vody pod poklop zásobníku ZT pro použití na ohřev TV nebo vytápění.
3.2 Provoz kotle - nabíjení zásobníku ZT (obr. 2)
Na obr. 2 je popsána fáze provozu kotle při nabíjení zásobníku, tj. při plnění zásobníku otopnou vodou, ohřátou nejméně na 60 °C (s ohledem na ohřev TV). Provoz kotle je řízen teploměry umístěnými v zásobníku ZT, které sledují teplotu otopné vody v zásobníku tak, že:
- při poklesu teploty otopné vody na úrovni teploměru Z (např. pod 60 °C) dochází k zapnutí kotle K a spuštění oběhového čerpadla Č1. Zásobník ZT se plní postupně ohřátou vodou.
- při dosažení požadované teploty na úrovni teploměru V je okruh dobíjení zásobníku vypnut (hořák a čerpadlo Č1).
Ze zásobníku tepla proudí do kondenzačního kotle nejchladnější voda od jeho dna, ať již z ohřevu vody nebo z otopného systému. Nejchladnější voda na výměníku kotle vytváří nejvyšší kondenzaci spalin a tím je dosahováno nejvyšší účinnosti.
Obr. 2 Příklad zapojení kondenzačního kotle na zásobník tepla kondenzačních kotlů (ZTKK) - provoz nabíjení zásobníku
3.3 Provoz při ohřevu TV (obr. 3)
Ohřev TV je zajištěn průtokovým ohřívačem SV, vestavěným do zásobníku tepla ZT. Při ohřevu TV protéká přívodní otopná voda do ohřívače pomocí oběhového čerpadla Č3. Provoz ohřevu TV nabíhá při odběru TV na základě průtoku čidlem na potrubí studené vody (pozice 19 na obr. 1). Od čidla průtoku je sepnuto čerpadlo okruhu ohřevu, kterým je zajištěno proudění otopné vody pláštěm spirálového výměníku od stropu ke dnu zásobníku tepla. Proudění otopné vody svislou válcovou plochou ke dnu zásobníku je v protisměru proudu studené vody spirálovou trubkou výměníku. Pro zajištění přibližně stabilní teploty TV, vystupující z ohřívače při různém průtoku (odběru), je možné snížit nadměrnou teplotu TV přimícháváním studené vody v trojcestném ventilu (pozice 18 na obr. 1).
I když se jedná o průtokový ohřev TV (při kterém běžně nelze cirkulační potrubí napojit), je u uvedeného systému ohřev cirkulační vody zajišťován výměníkem, vloženým do zásobníku tepla ZT (pozice 17 na obr. 1).
PO ukončení odběru TV vypíná čidlo průtoku 19, oběhové čerpadlo Č3 ohřevu TV a zapíná oběhové čerpadlo Č4 cirkulačního okruhu TV, případně oběhové čerpadlo Č2 pro otopnou soustavu, je-li topné období.
Obr. 3 Příklad zapojení kondenzačního kotle na zásobník tepla kondenzačních kotlů (ZTKK) - provoz ohřevu TV
3.4 Provoz při vytápění (obr. 4)
Otopná voda cirkulující otopnou soustavou pomocí oběhového čerpadla Č2 vystupuje do soustavy u horního líce zásobníku tepla a ochlazovaná voda ze soustavy se vrací ke dnu zásobníku. Odběrem tepla na vytápění stoupá dělící hladina mezi teplou a ochlazenou otopnou vodou, jak naznačuje šipka na obr. 4, až na úroveň teploměru Z, kdy se zapíná provoz kotle. Současně s odběrem otopné vody do soustavy probíhá dobíjení zásobníku tepla. Ekvitermní regulace teploty otopné vody podle průběhu výkonu, např. od 3 do 0,6 kW je zajišťována trojcestným směšovacím ventilem (pozice 20 na obr. 1). Teplota vody v zásobníku tepla neovlivňuje regulační schopnost v otopné soustavě, musí být pouze vyšší než je nejvyšší požadovaná teplota otopné vody při jmenovitém výkonu pro vytápění.
Obr. 4 Příklad zapojení kondenzačního kotle na zásobník tepla kondenzačních kotlů (ZTKK) - provoz vytápění
V dnešní době, kdy jsou kondenzační kotle (řádově do výkonu 100kW) vybavené moderní a poměrně levnou elektronikou a řadou variant spojité regulace výkonu, elektronicky řízenými čerpadly,... tak akumulační - vyrovnávací zásobníky již nejsou tak nezbytné. Opakem je to u tepelných čerpadel - tam jsou nezbytností. Je pravda, že pokud se i k současným vybavenějším kondenzačním kotlům akumulační-vyrovnávací zásobník do systému přidá, přispěje to určitě ke zvýšení stupně využití systému a kondenzace.
Hot water tank is an interlink between the heat source and heat extraction, which has multiple functions. Heat storage allows simple, inexpensive and effective regulation of the source power. Complex and demanding control of the combustion process in the boiler is transferred to the heating water temperature control.