Większa sprawność układu
Akumulator
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.
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.
Bufor
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. 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.
Sprzęgło
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.
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.
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.
Podgrzewanie 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.
Osprzęt
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).
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 niewielkie – zapłacimy znacznie mniej, niż za kocioł elektryczny.
