Bufor jako magazyn ciepła

Bufor jako magazyn ciepła

       Zastosowanie bufora ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania przynosi wiele korzyści. Spełnia on rolę taniego w eksploatacji i bezawaryjnego magazynu energii. Dzięki parametrom fizycznym woda doskonale nadaję się do akumulowania w niej ciepła. Znajdował on głównie zastosowanie w instalacjach gdzie źródłem były zasypowe kotły na paliwo stałe bądź kominki z płaszczem wodnym gdzie problematyczna była regulacja temperatury wody zasilającej instalacje w budynku szczególnie instalacji ogrzewania płaszczyznowego (niskotemperaturowego). Zbiornik buforowy spełnia również funkcje zwrotnicy hydraulicznej co pozwala na wpięcie w instalację kilku obiegów grzewczych z osobnymi pompami obiegowymi, które nie będą wzajemnie się zakłócać. Bufor doskonale się sprawdza w magazynowaniu istniejącej nadwyżki energii, która stopniowo jest oddawana na potrzeby ogrzewania budynku. Niewątpliwie bardzo duża zaletą zastosowania bufora w instalacji ogrzewania jest możliwość podłączenia do niego różnych źródeł ciepła, które mogą pracować na przemian bądź wspierając siebie nawzajem. Dzięki zastosowaniu grzałki elektrycznej można połączyć wszelkie zalety ogrzewania wodnego ze źródłem zasilanym energią elektryczną. Również przy ogrzewaniu pompą ciepła bufor doskonale się sprawdza szczególnie dla pomp ze sprężarkami działającymi tylko w dwóch stanach załączona-wyłączona. Bufor pozwala na zwiększenie zładu wodnego instalacji przez co ogranicza ilość załączeń sprężarki co korzystnie wpływa na jej żywotność. Problem ten znacznie mniej dotyczy sprężarek inwerterowych, które modelują moc pracy.

       Bufor ciepła w instalacjach hybrydowych z modułami fotowoltaicznymi służy jako bardzo atrakcyjny finansowo akumulator energii co przekłada się zdecydowanie na autokonsumpcję wyprodukowanej energii dzięki temu oszczędzamy 20% bądź 30% pobierane jako koszty magazynowania w sieci elektroenergetycznej. Przechowywana, gorąca woda może być pobrana w dowolnej chwili, gdy jest potrzebna a sterowanie ogrzewaniem jest równie precyzyjne jak przy kotłach gazowych czy elektrycznych. Wykorzystywane w tym celu są trójdrożne zawory mieszające z elektrycznym siłownikiem sterowanym 3-punktowo.

 

Układy mieszające czynnik grzewczy, trzy grupy pompowe,  moduł Vaillant VR 71.

 

        Bufor ciepła warto przemyśleć na etapie planowania domu, aby wygospodarować dla niego odpowiednią powierzchnie. Należy umiejscowić go w miejscu gdzie jest temperatura powyżej 5˚C wciągu całego roku. Najbardziej korzystnie jest go umiejscowić w powierzchni użytkowej ogrzewanej budynku aby jego straty ciepła wynikające z postoju nie wynosiły więcej niż średnio 2-3˚C w ciągu doby. Do budowy wykorzystuję się najczęściej stal czarną. Gorąca woda jest lżejsza od zimnej przez co gromadzi się na górze zbiornika. Jest to powszechnie występujące zjawisko konwekcji. Dzięki temu nie trzeba naładować całego bufora aby móc z niego korzystać.  

  Warstwowe ładowanie i rozładowywanie bufora ciepła. Zbiornik marki KOSTRZEWA.

 

        W przypadku kiedy na zależy na wykorzystaniu bufora w celu magazynowania energii im większy zbiornik tym lepiej. Ograniczenia z jakimi trzeba się liczyć to potrzebna przestrzeń użytkowa na zbiornik oraz koszty inwestycyjne, które rosną wraz z jego wielkością. Ilość energii, jaką jest w stanie zmagazynować zbiornik zależy od równicy między temperaturą, do której woda jest nagrzewana w buforze a temperaturą wody powracającej do niego. Oblicza się ją z wzoru:

 

Gdzie:

  Q – energia zgromadzona w buforze [kWh]

  V – pojemność bufora [l]

  ∆t – różnica temperatur miedzy zasilaniem a powrotem wody grzewczej [°C]

c – 0,001167 - stała energia jaką trzeba aby ogrzać litr wody o jeden stopień Celsjusza  [kWh/l ∙ °C]

        Za pośrednictwem bufora ciepła możliwe jest podgrzewanie wody użytkowej przepływowo czyli higienicznie, gdyż przy takim rozwiązaniu nie istnieją problemy rozwoju bakterii w stojącej ciepłej wodzie. Najprostszy sposób realizacji takiego rozwiązania to wężownica o odpowiedniej pojemności umieszczona w środku bufora. Bardziej zawansowane technologie przewidują wymianę ciepła w wymienniku płytowym. Przykładem takiego urządzenia jest aquaFLOW marki Vaillant:

1 – pompa sterowana sygnałem PWM; 2 – zawór mieszający; 3 – miernik objętościowego natężenia przepływu; 4 – płytowy wymiennik ciepła; 5 – układ elektroniczny; 6 – zasilający przewód rurowy obiegu buforowego; 7 – Powrotny przewód rurowy obiegu buforowego; 8 – przyłącze ciepłej wody; 9 – przyłącze zimnej wody; T1 –T4 – czujniki temperatury

       Stacja przeznaczona do obsadzenia na systemowy bufor ciepła marki Vaillant allSTOR. Dzięki wymiennikom płytowym wydatek ogrzewania ciepłej wody użytkowej sięga 45 litrów na minutę a więc pozwala zaspokoić potrzeby wypływowi 5 natrysków na raz. Istnieje możliwość połączenia urządzeń w kaskadę dzięki czemu maksymalny wydatek ciepłej wody dochodzi do 170 litrów na minutę. Układ bufor z stacja ciepłej wody eliminuję  potrzebę stosowania wężownicy która zakłóca ideę warstwowego magazynowania ciepła.  przedstawia stację higienicznego podgrzewacza wraz z buforem w wersji z separacyjną przegrodą. Przy króćcach wlotowych umiejscowione są tłumiki, które za pomocą skrzynek rozbryzgowych pochłaniają energie kinetyczną wpływającej cieczy uzyskują optymalny rozkład warstwowy wody. Taka konstrukcja pozwala zapobiec turbulencjom, mieszania się i uśrednianie temperatur warstw.

      Szczególną konstrukcją wśród buforów ciepła jest zbiornik wykorzystujący tzw. PCM (Phase Change Material) czyli materiał przemiany fazowej. Jest to substancja, która pozwala na akumulowanie i uwalnianie dużą ilość energii na jednostkę masy podczas przemiany fazowej stanu skupienia. W buforach PCMX wykorzystywany materiał to specjalny roztwór soli, który w temperaturze 58°C, zmienia stan ze stałego w ciekły. Tego typu technologia pozwala na magazynowanie do pięciu razy więcej energii w postaci ciepła w stosunku to tej samej objętości bufora wypełnionego wodą.

 inż. Bartosz Zaręba

Wróć