Vyrovnávací nádrže – typy, vlastnosti

Moderní vyrovnávací nádrže jsou prvkem systému zásobování teplem a ohřevu vody, který kombinuje různé zdroje tepelné energie s různou produktivitou, koordinuje různé úrovně teploty chladicí kapaliny, akumuluje a ukládá tepelnou energii. Jedná se o ústřední prvek topného systému, jehož volba do značné míry určí technické řešení jako celek, a tedy i účinnost a nákladovou efektivitu rozvodu tepla pro vytápění a ohřev teplé vody.

Při výběru zařízení uživatel obvykle věnuje větší pozornost těm zařízením, která generují teplo – plynové nebo kotle na tuhá paliva, tepelná čerpadla, solární kolektory, elektrické kotle. Méně pozornosti se věnuje tepelným akumulátorům, které jsou klasifikovány jako pomocná zařízení. Právě správný výběr akumulátorů teplé vody však pomáhá spojit různé subsystémy do uceleného systému.

Prodejna UniDim nabízí široký výběr vyrovnávacích nádrží.

Například solární systém vyrábí tepelnou energii, která se používá k ohřevu vody pro ohřev teplé vody a částečně k vytápění. Dodávka solární energie a její spotřeba se však obecně časově neshodují, ať už množstvím, nebo teplotou. Proto je potřeba vyrovnávací nádrž. Musí existovat tepelný akumulátor, ze kterého se v případě potřeby dodává tepelná energie nebo připravená teplá voda spotřebiteli.

Klasická vyrovnávací nádrž

Zjednodušeně řečeno, vyrovnávací nádrž je kovový zásobník s chladivem pod tlakem, který cirkuluje v systému. Jejím hlavním účelem je akumulovat a ukládat tepelnou energii z různých zdrojů a na vyžádání ji přenášet do topného systému nebo ohřevu TUV. V závislosti na modelu tepelného akumulátoru k němu lze současně připojit nízkoteplotní (tepelná čerpadla, kondenzační plynové kotle) i vysokoteplotní (kotle na tuhá paliva, elektrické, tradiční plynové kotle) zdroje tepla.

K výrobě tepelných akumulátorů se používají různé materiály: uhlíková ocel s různými antikorozními povlaky (smalty a antikorozní kovové a polymerní povlaky, biokeramika), někdy s katodickou ochranou, nerezová ocel.

Aby mohla akumulovat teplo, musí mít vyrovnávací nádrž pro vytápění a ohřev teplé vody vynikající tepelněizolační vlastnosti. Tloušťka tepelné izolace je obvykle 5-10 cm u bočních částí, nebo i více, a nahoře může dosáhnout až 50 cm nebo mít evakuovanou dutinu. Nádrž je často instalována na nožkách, aby nedocházelo k přímému kontaktu dna s podlahou. Spodní tepelná izolace může u některých modelů dosáhnout až 20 cm. Tloušťka vrstvy tepelné izolace značně závisí na použitém izolačním materiálu. Nádrže třídy A (A+) jsou izolovány speciálně vyvinutou vícevrstvou high-tech kompozitní izolací.

Akumulace tepla pro ohřev teplé vody

Jak je uvedeno výše, hlavní funkcí tepelného akumulátoru je akumulace energie z různých zdrojů tepla (až několik dní) a její následná distribuce do systémů vytápění a zásobování vodou. To je důležité, když se jako generátory používají zdroje tepla pracující v režimu směn v čase, výkonu a teplotě.

Pro přípravu užitkové vody je možné sestavit schémata zapojení. Pro tento účel se ve většině případů používá konvenční nepřímotopný kotel jako zásobník TUV.

Nepřímý ohřev TUV je ohříván oběhovým čerpadlem, které čerpá horkou chladicí kapalinu (vodu) z vyrovnávací nádrže přes spirálový výměník tepla umístěný uprostřed kotle. Čerpadlo se zapíná automaticky v závislosti na skutečné teplotě teplé vody. Podle tohoto schématu se teplá voda ohřívá, i když se nepoužívá, a zůstává v kotli TUV, dokud se neotevře kohoutek v systému zásobování teplou vodou.

Příprava teplé vody pomocí akumulačního zásobníku má dvě hlavní nevýhody. První je tepelná ztráta kotle, která může v případě 400litrového kotle a nastavené teploty teplé vody 200 °C dosahovat až 60 kWh za rok. Druhou je problém s výskytem legionel (mikroorganismů, které se množí v teplé vodě), což vede k nepříjemnému zápachu vody a v některých případech může vyvolat legionelózu – alergickou reakci nebo zdravotní poruchu uživatele teplé vody jako pitné vody. Každý moderní systém regulace ohřevu užitkové vody však má program „antilegionella“, který poskytuje algoritmus pro boj s mikroorganismy ohřevem kotle na teplotu 65-70 °C, který se zapíná například jednou týdně.

Existuje alternativní možnost ohřevu teplé vody bez kotle. Teplá voda se ohřívá průtokovým způsobem, prochází tepelným výměníkem, který může být umístěn uvnitř vyrovnávací nádrže ve formě spirály z nerezové oceli (popsáno v části „Kombinované vyrovnávací nádrže“). Nebo se může jednat o samostatný deskový výměník tepla, který je umístěn vedle akumulační nádrže. Při použití průtokového ohřívače vody se teplá voda připravuje v případě potřeby. Vzhledem k tomu, že voda pro TUV je ohřívána průtokem, nevzniká problém s legionelou („čerstvá“ voda se ohřívá vždy), nedochází k dalším tepelným ztrátám z kotle, je potřeba méně prostoru pro umístění všech potřebných komponent topného systému.

Vyrovnávací nádrž s vrstvenou akumulací tepla

Nádrže tohoto typu jsou konstruovány s použitím vody o různých hustotách a různých teplotách: horká chladicí kapalina se shromažďuje v horní části nádrže a studená ve spodní části. To se provádí za účelem koordinace tepelných toků z různých zdrojů tepelné energie. Zdroje tepla mají různý potenciál:

• vysokoteplotní (plynové nebo kotle na tuhá paliva)
• střední teplota (tepelná čerpadla, solární systémy)
• nízkoteplotních (zpětných) tepelných generátorů a pro distribuci výstupů ke spotřebitelům

Spotřebiče tepla se také liší – vysokoteplotní (radiátorové vytápění) a středněteplotní (podlahové vytápění, fan coily).

Ve vrstveném akumulátoru tepla je zajištěno laminární proudění chladiva bez jeho objemového míchání. V horní části je možné použít vysokoteplotní chladivo k přípravě teplé vody pro ohřev TUV nebo pro vytápění radiátory. Když ochlazené chladivo vstupuje do nádrže, nemísí se přímo s horkým médiem, tj. přímo neochlazuje horní část nádrže. Použití nádrže s vrstvenou akumulací tepla také snižuje počet zapnutí kotle k ohřevu kapaliny, což zase šetří energii a peníze a zvyšuje praktickou životnost kotlů.

Existují dva typy nádrží s vrstvenou akumulací tepelné energie: pasivní a aktivní vrstvená akumulace.

Pasivní stratifikované rozdělení

Pasivní vrstvená akumulace tepelné energie je zajištěna díky vnitřní konstrukci nádrže. Například horká chladicí kapalina z výměníku tepla byla připojena k solárnímu systému přes mezilehlou vyrovnávací nádrž. Stoupá vlastním potrubím a vychází bočními otvory pouze tehdy, když je k dispozici chladicí kapalina se stejnou teplotou „zvenčí“. Příklad chladicí kapaliny ohřáté teplem solárního systému je zde poměrně ilustrativní – solární systém pracuje v různých režimech v závislosti na přiváděné sluneční energii a může mít během dne různé teploty. Vrstvená akumulace umožňuje akumulovat tepelnou energii získanou v různých režimech.

Aktivní vrstvená distribuce

V případě aktivní vrstvené akumulace je teplotního oddělení dosaženo potrubním systémem umístěným vně nádrže s přívodními trubkami v různých výškách. V závislosti na teplotě chladiva přicházejícího z tepelného zdroje (např. solární termální instalace) je toto chladivo směrováno do horní, střední nebo dolní části nádrže přepínáním dvou- nebo třícestného ventilu. Takové nádrže mají menší průměr a jsou o něco vyšší než obvykle. A čím více teplotních vrstev je potřeba, tím složitější je řídicí systém pro realizaci tohoto akumulačního schématu.

Kombinovaná vyrovnávací nádrž

Kombinovaný akumulátor tepla je vyrovnávací nádrž, která kombinuje funkce vyrovnávací nádrže a kotle (ohřívače vody). V tomto případě se realizuje princip ohřevu vody pro ohřev teplé vody a pro vytápění. Obvykle je možné k systému připojit kotel na tuhá paliva a/nebo plyn a/nebo jiné zdroje tepla (tepelné čerpadlo, topné těleso nebo elektrický kotel). Vypočítává se, že kombinované systémy vytápění a ohřevu teplé vody s připojením různých zdrojů tepla šetří až 25-30 % organického paliva nebo elektřiny a snižují počet startů kotle.

Příprava teplé vody v kombinovaném vyrovnávacím zásobníku probíhá dvěma způsoby:

• průtokový výměník tepla
• vestavěný kotel („nádrž v nádrži“)
• externí stanice ohřevu vody

Konstrukce „nádrž v nádrži“ je kombinací dvou nádrží v jedné jednotce s vestavěnou nádrží na užitkovou vodu v horní části. Nádrž s teplonosnou látkou pro vytápění je připojena k různým zdrojům tepla. Někteří výrobci nabízejí kombinované nádrže tohoto typu s přídavnou cívkou pro solární termickou instalaci nebo s možností připojení kotlů na tuhá paliva, s vestavěným topným tělesem atd.

Zajímavé řešení nabízí společnost „Teplobak“ (Ukrajina). Vyrábějí vnitřní nádrže s vlnitou stěnou. Takové nádrže jsou pevnější než běžné a navíc mají vlastnost samočištění stěny vnitřní nádrže od vodního kamene. Vnitřní nádrž s mírně vlnitým tvarem stěny má zvětšenou plochu pro výměnu tepla, a tím i výkon ohřevu teplé vody, menší hmotnost a tloušťku stěny se zaručenou pevností nádrže. Nádrže typu „nádrž v nádrži“ se vyznačují nižšími náklady než nádrže s vestavěnou stanicí pro přípravu teplé vody. Kromě tepelné koordinace systému je však nutné zohlednit ukazatele tlaku uvnitř i vně vnitřní nádrže.

S vestavěným průtokovým výměníkem tepla

Tradičnější provedení okruhu TUV pro akumulátor je s výměníkem tepla instalovaným uvnitř nádrže. Jedná se o průtokový okruh pro přípravu teplé vody. Nejlepšími příklady takových výrobků jsou vyrobeny z nerezové oceli potravinářské kvality. Pro zvětšení povrchu pro výměnu tepla se takové vnitřní výměníky tepla někdy vyrábějí zvlněné.

Někteří výrobci instalují do svých nádrží výměník tepla pro ohřev TUV nikoli z vlnité trubky, ale z hladké nerezové trubky. To umožňuje zvětšit tloušťku stěny hladké trubky na 1,5 mm oproti 0,5 mm u vlnité trubky. Kromě toho se vlnitá trubka při tvrdé vodě rychle ucpává vodním kamenem a nečistotami (protože má dutiny), v důsledku čehož se výkon ohřevu TUV prudce zhoršuje. Čištění výměníku tepla z vlnité trubky je velmi obtížné, protože je téměř nemožné odstranit vodní kámen z dutin i za použití chemických činidel.

Externí stanice pro zásobování teplou vodou

Pro přípravu vody pro TUV se také používají samostatné moduly, které se montují na akumulační nádrž a mají tzv. externí deskový pájený výměník tepla. Zásobníky s externím výměníkem tepla mají o něco vyšší cenu, ale vyznačují se větší produktivitou. Ve většině případů jsou také vybaveny automatickým regulátorem, který řídí čerpadlo primárního okruhu v závislosti na spotřebě teplé vody.

Ve srovnání s tradičními systémy přípravy TUV (kotel, nepřímý ohřevný kotel) umožňuje vyrovnávací nádrž s externím výměníkem tepla TUV ušetřit místo (kotel již není potřeba), snížit náklady na instalační práce (protože není nutná skupina kotlových čerpadel + finanční prostředky na její instalaci), získat větší užitek z provozu hlavního, řekněme, kotle na tuhá paliva nebo plyn, není třeba bojovat s legionelou. Taková řešení TUV se také nazývají systém „rychlého ohřevu“, což znamená, že voda pro TUV se připravuje rychle a pouze tehdy, když je potřeba.

Inteligentní vyrovnávací nádrže

Obvykle se nejdříve instalují plynové kotle nebo tepelná čerpadla a poté se k nim připojují další větve automatizace vytápění budovy a okruhu TUV. Heliosystém má obvykle svůj vlastní, do jisté míry autonomní a uzavřený okruh. To je vysvětleno skutečností, že v topných okruzích, okruzích TUV a v heliosystému lze použít různé nosiče tepla – teplotou, tlakem a chemickým složením.

Takže se zpravidla jako hlavní řídicí systém volí automatizace, kterou je vybaven (časově nebo výkonově) nejvíce využívaný zdroj. Například tepelné čerpadlo nebo nízkosetrvačný plynový kotel, který pracuje téměř neustále, je neustále připojen k systému vytápění a ohřevu teplé vody v pohotovostním režimu. Toto pravidlo platí pro kombinované schémata, která jsou současně implementována v nové budově. Pokud se však topný systém rozšiřuje po etapách a k existujícím starým zařízením se postupně přidávají obnovitelné zdroje – tepelná čerpadla a solární okruhy, vzniká problém s koordinací provozu komponent a efektivním řízením všech integrovaných zařízení.

To se stává obzvláště relevantní pro modernizaci topného systému, kdy stávající subsystémy (například plynové topné zařízení), i když nejsou pokročilé, ale stále zcela funkční, nevyčerpaly svůj určený zdroj.

Nejúspěšnějším a ekonomicky nejoprávněnějším řešením pro takové případy je takové, kdy se intelektuálním centrem, skutečným „mozkem“ celého systému s různými zdroji tepelné energie a s různou produktivitou (včetně obnovitelných zdrojů), stane akumulační nádrž.

Nádrže mají hydraulicky koordinované komponenty pro vrstvenou akumulaci tepla a dodávku tepla s připojením obnovitelných systémů (solární energie, pevná paliva atd.) a stabilní teploty vrstvené akumulace. V tomto případě je akumulace energie řízena speciálním regulátorem, který je „centrem akumulace energie“, řídí všechny komponenty instalace, jako je kotel na pevná paliva, doplňování akumulační nádrže, energetické účetnictví, program tepelné dezinfekce atd.

Díky inteligentnímu zařízení je snazší integrovat několik zdrojů tepla (např. kotle na kapalná paliva, plynové kotle nebo kotle na tuhá paliva) od různých výrobců. Regulátor má různé doplňkové funkce, jako je vrstvené účtování chladiva v nádrži, výpočet a účtování tepelné výměny, tepelného zatížení a výkonu kotle.

Video o „inteligentním“ tepelném akumulátoru

Volba typu zásobníku tepla, jeho objemu a funkčnosti v každém konkrétním případě závisí na technických vlastnostech systému. V současné době trh nabízí mnoho zásobníků a akumulačních nádrží od domácích i zahraničních výrobců. Mají speciální funkce a konstrukční prvky, jejichž správné použití výrazně zvýší energetickou účinnost systému vytápění a ohřevu teplé vody.