Opis

Bufor ciepła — wygodne ogrzewanie tanimi paliwami

Bufory ciepła są powszechnie stosowane w Europie. U nas pozostają egzotyką – niesłusznie, bo takie urządzenie przyniosłoby przeliczalne wprost na złotówki korzyści w każdym domu ogrzewanym węglem, a tym bardziej drewnem. Korzyści byłyby odczuwalne też na zewnątrz, w postaci powietrza pozbawionego smrodu dymu.

Zobaczmy więc, na jakiej zasadzie działa bufor ciepła, jak przedstawiają się koszty instalacji oraz zyski z jego stosowania. Nie zabraknie też szczegółów odnośnie prawidłowej budowy zbiornika buforowego, który wbrew pozorom nie jest takim dziwnym wielkim bojlerem.

Jak działa bufor ciepła?

Najważniejsza cecha bufora ciepła to warstwowy układ wody. Woda gorąca jest lżejsza od zimnej. Dlatego jeśli warstwę wody gorącej umieści się ponad warstwą wody zimnej, to taki układ zachowa się jak mieszanina wody i oliwy. Nie dojdzie do wymieszania warstw, a woda gorąca nigdy nie ogrzeje wody zimnej od góry, mimo że bezpośrednio się stykają. Grzanie wody od góry przez kontakt jest niewykonalne. Dlatego właśnie palniki na kuchenkach znajdują się pod garnkami.

Powyższy schemat przedstawia ideę najprostszego podłączenia bufora ciepła w instalacji grzewczej. Są tutaj dwa połączone ale temperaturowo niezależne obiegi: kocioł-bufor oraz bufor-grzejniki.

Kocioł pracując na pełnej mocy grzeje bufor do 80–90st.C. Grzanie trwa kilka godzin i w efekcie cały zbiornik powinien zostać nagrzany do jak najwyższej temperatury. Na tym praca kotła się kończy, a następne rozpalenie będzie konieczne dopiero gdy cały zapas ciepła z bufora zostanie wyczerpany (zwykle od jednej doby do nawet tygodnia, zależnie od pojemności bufora i pogody).

Bufor przechowuje ciepło z niewielkimi stratami i pozwala pobierać je w dowolnych ilościach dokładnie wtedy, gdy jest potrzebne. Na wyjściu z bufora na instalację montuje się najlepiej automatyczny termostat, który dawkuje ciepło w taki sposób, by utrzymać stałą temperaturę w domu. Sterowanie grzaniem budynku staje się równie precyzyjne jak przy ogrzewaniu gazowym czy elektrycznym.

Dzięki warstwowemu układowi wody nie jest konieczne nagrzanie całego bufora do wysokiej temperatury, aby móc pobierać z niego ciepło. Najgorętsza woda zawsze znajduje się u góry zbiornika.

Bilans korzyści i problemów

Bufor ciepła sprawia, że kocioł staje się czysty i mało wymagający w kwestii obsługi – niemal jak kocioł gazowy, przy czym można palić (tanim) paliwem.

• czyste i efektywne spalanie – dzięki pracy kotła z pełną mocą
• bardzo rzadkie wizyty w kotłowni – im większy zbiornik tym rzadziej, raz na parę-kilka dni zimą do razu na tydzień latem, gdyby chcieć podgrzewać tylko ciepłą wodę,
• wyrównana temperatura w domu — ciepło z bufora może być dostarczane do budynku w miarę potrzeb, przez całą dobę.

Bufor ciepła to coś więcej niż wspomaganie dla kotła. To domowy magazyn ciepła, mogący łączyć w sobie funkcje:

• bojlera CWU
• zbiornika dla kolektorów słonecznych
• przechowalni ciepła z prądu w taniej taryfie

Gromadząc ciepło w jednym miejscu nie trzeba kupować osobnych zbiorników do każdego z tych celów i marnować miejsce na ich rozstawienie. Przechowywanie gorącej wody w jednym, świetnie zaizolowanym zbiorniku to także mniejsze straty energii, a więc niższe koszty.

Zbiornik na bufor ciepła jest prosty i trwały. Prosty, bo wystarczy czarna stal. Trwały, bo w trakcie pracy ma kontakt jedynie z wodą kotłową. Nie dotyczy go problem szybkiej korozji znany z bojlerów CWU.

Główny minus bufora ciepła to fakt, że zajmuje on miejsce. Nowe, małe domki są przeważnie projektowane w oderwaniu od realiów (z myślą o ogrzewaniu gazem ziemnym), więc kotłownia występuje szczątkowo i ma wymiary kanciapy na miotłę i wiadro. Co prawda bufor można postawić w sąsiednim pomieszczeniu, ale wymaga to wykrojenia cennego metra kwadratowego lokalu na ten cel.

Nie bez znaczenia jest też cena zbiornika buforowego. Gotowy prosty zbiornik 1000l to koszt ok. 5000zł. Dodaj do tego wężownicę solarną oraz CWU i cena rośnie do 6–8 tys. zł. Na szczęście cenę bufora można mocno obniżyć kupując odpowiedni zbiornik z odzysku lub zlecając wykonanie lokalnemu fachmanowi. Jednak biorąc pod uwagę wszystkie korzyści z posiadania bufora ciepła, nawet zakup gotowego zbiornika zwraca się w kilka lat.

Faktem jest, że przechowywanie gorącej wody w buforze generuje straty, ale w ostatecznym bilansie zysków są one akceptowalne. W dobrze zaizolowanym buforze temperatura wody powinna spadać w tempie góra 2–3st.C/dobę dla 1000l (tj. ~1kWh). Nawet ta ilość ciepła nie idzie na marne, nie ucieka w próżnię, ale grzeje pośrednio dom.

Prostota budowy i działania bufora ciepła nie oznacza, że budowa całości będzie trywialna. Potrzeba minimalnego technicznego i hydraulicznego obycia, aby wykonać wszystko samemu lub konieczne będzie znalezienie fachowca, który o buforach ciepła słyszał i się na tym zna. Albo chociaż będzie w stanie skonstruować zbiornik czy instalację zgodnie z instrukcją. Jeśli od hydraulika usłyszysz: panie, po co panu taki duży bojler? — uciekaj czym prędzej.

Po zamontowaniu bufora ciepła potrzebne jest dużo większe naczynie wzbiorcze — nawet do ok. 100l. To nie są duże koszty, ale trzeba znaleźć na nie miejsce, dlatego warto mieć to na uwadze.

Kiedy stosować bufor ciepła?

Łatwiej powiedzieć, kiedy nie warto stosować bufora ciepła:

• w dużym, starym, nieocieplonym domu z pojemną instalacją grzewczą i grzejnikami pracującymi na wysokich temperaturach — tam kocioł ma stały odbiór ciepła, a bufor wodny, aby mógł być użyteczny, musiałby mieścić kilka ton wody
• ogrzewając dom gazem ziemnym— ten rodzaj ogrzewania jest sterowalny i nie wymaga przechowywania energii na później

W każdym innym przypadku zastosowanie bufora ciepła niesie wszechstronne korzyści. Są takie sytuacje, gdzie bufor staje się wręcz niezbędny, aby ogrzewanie nie było pasmem udręk:

• kocioł zasypowy w nowym domu — nawet najlepsze kotły zasypowe nie nadają się do samodzielnego stosowania w nowych domach. Nie potrafią efektywnie i czysto grzać na tak niskich mocach, jakich wymagają współczesne świetnie ocieplone domy. A prawdziwa tragedia zaczyna się po wpięciu ich do instalacji z przewagą ogrzewania podłogowego. Efektem tego wszystkiego jest smród, brud i życie zmarnowane w kotłowni. Podpięcie bufora ciepła likwiduje te problemy. Obecnie dostępne na rynku kotły 5. klasy wręcz wymagają podłączenia do bufora ciepła, czasem pod rygorem utraty gwarancji, ale nawet jeśli tak nie jest, to i tak warto o buforze myśleć, ponieważ będzie on konieczny gdy wejdą w życie uchwały antysmogowe. Formalnie taki kocioł spełnia bowiem wymogi 5. klasy tylko pracując na pełnej mocy, czyli z buforem.
• ogrzewanie podłogowe — zakres temperatur właściwy dla kotłów węglowych i dla ogrzewania podłogowego kompletnie się nie pokrywają, dlatego współpraca kotła zasypowego i podłogówki to smolisto-smrodliwy koszmar. Aby pogodzić te dwa światy, konieczny jest bufor ciepła, który umożliwi ekonomiczne spalanie w kotle na wysokich temperaturach i stabilną pracę podłogówki na odpowiednio niskiej temperaturze zasilania.
• kocioł zgazowujący drewno — kotły te są przystosowane do pracy wyłącznie z pełną mocą. Oczywiście Polakowi — dumnemu potomkowi Sarmatów — nikt nie będzie nakazywał montażu bufora do takiego kotła! Dlatego nie brak takich, którzy kiszą w nich drewno jak w starym “śmieciuchu”, a potem płaczą, że to zgniło, tamto zalane smołą, a z kotła sito po trzech latach.

Ile można zyskać?

Prawidłowo dobrany mocą i właściwie obsługiwany kocioł zasypowy osiąga średnioroczną sprawność grzania ok. 50%. Niewłaściwy sposób palenia, brak czyszczenia, zbyt duża moc nominalna, zbyt mała powierzchnia wymiennika — wszystko to może sprawić, że sprawność spadnie na łeb w okolice 30% jeśli nie niżej.

Kocioł współpracujący z buforem ciepła będzie pracował z pełną mocą, spalając w godziwych warunkach i wysokich temperaturach. Dzięki temu wyciągnie z paliwa tyle, ile się da, nie będzie zarastał sadzą, odbierze tyle ciepła, na ile pozwala mu wymiennik.

Oszczędność opału rzędu 30–50% jest więc całkiem realna, oczywiście zależnie od tego, jak kiepsko było palone do tej pory. Ale nawet gdyby oszczędności opału nie było wcale, to nadal oszczędza się czas na obsłudze kotłowni.

Jaka pojemność bufora?

Im większy bufor tym lepiej, oczywiście w granicach rozsądku i możliwości. Sensowna pojemność dla przeciętnego budynku (ok. 150m2) to 1000–2000l. Pojemność bufora ciepła należy ustalić w odniesieniu do zapotrzebowania budynku na ciepło (znajdziesz ją też w wyniku obliczeń na cieplowlasciwie.pl). Jeśli to możliwe, najlepiej wyliczyć pojemność tak, aby nawet w okresie największych mrozów ładowanie bufora odbywało się w najgorszym razie co 24 godziny.

• ustal z grubsza maksymalne zapotrzebowanie na moc grzewczą twojego domu jedną z dostępnych metod. Załóżmy, że wychodzi 5kW.
• pomnóż tę liczbę przez 24h — otrzymujesz 120kWh czyli maksymalne dobowe zużycie ciepła i taką pojemność cieplną powinien mieć bufor, aby w najgorszym razie rozpalanie w kotle przypadało raz na dobę
• na podstawie ciepła właściwego wody wiadomo, że 1000l wody podgrzane o 60 stopni (od 30st.C do 90st.C) przechowa ok. 65kWh energii (odliczając już z grubsza straty). Widać więc, że aby pomieścić ok. 120kWh, potrzebne będzie niemal 2000l wody
• ilość ciepła możliwa do zmagazynowana i odebrania z 1000l wody będzie zależeć od maksymalnej temperatury wody w buforze oraz od minimalnej użytecznej temperatury wody, jaka jest w stanie ogrzać budynek. Punkt wyżej przyjęto dość optymistyczne założenie, że są to odpowiednio 90st.C oraz 30st.C; warto grzać bufor do 90st.C, ale wymaga to też solidnej jego izolacji; natomiast “dolna granica użyteczności” wody zależy od rodzaju instalacji grzewczej: najlepiej spisze się ogrzewanie podłogowe, które wodą o temperaturze 30st.C nadal będzie grzało budynek, podczas gdy instalacja grzejnikowa może oddawać za małą moc już przy zasilaniu wodą o temperaturze 40st.C a w mrozy nawet 45–50st.C może być zbyt mało (zależy od tego, jak duże lub małe są grzejniki) i mając w zbiorniku 30st.C trzeba będzie już rozpalać, by ponownie nagrzać bufor. Im mniejszy jest zakres między dwoma w/w temperaturami, tym mniejsza jest pojemność cieplna bufora i tym większa musi być jego pojemność.
• gdy z bufora ma być także grzana CWU, siłą rzeczy szybciej się on rozładuje. Można to zaakceptować i ładować go nieco częściej albo zwiększyć jego pojemność. O ile? CWU grzeje się najwyżej do 55st.C, więc względem zimnej wody kranowej to ~45 stopni różnicy. Zagrzanie 100l CWU pochłonie ok. 4,5kWh. Tyle energii zgromadzone jest w raptem 70 litrach gorącej wody w buforze. Ale wężownica CWU nie jest w stanie wyciągnąć tej energii w całości, dlatego bezpieczniej założyć stosunek co najmniej 1:1, czyli do zagrzania każdych 100l CWU potrzebne będzie min. 100l pojemności bufora.

Jeśli tak wyliczona pojemność to za dużo (brak miejsca lub za drogi zbiornik), to bufor może być mniejszy, np. 1000l w w/w przypadku, co oznacza, że do okolic zera zgromadzi ciepło potrzebne na co najmniej 24 godziny, a w czasie mrozów w najgorszym przypadku ładować go będzie trzeba co 12 godzin. Mniejszy bufor wciąż ma tę zaletę co duży: można hajcować na pełnej mocy otrzymując sumarycznie więcej energii z tej samej ilości paliwa. Skraca się jednak czas między kolejnymi rozpaleniami.

Wybór zbiornika

Bufor koniecznie musi być pionowym zbiornikiem, bo tylko wtedy utrzymuje się rozwarstwienie wody o różnych temperaturach, które jest istotą działania bufora. Najpraktyczniejszy i najtrwalszy kształt zbiornika to walec Wbrew intuicji te parę ton wody nie napiera aż tak mocno własnym ciężarem, by prostopadłościan z kilkumilimetrowej blachy miał się łatwo wybulić.

Przed zakupem lub wykonaniem zbiornika trzeba pamiętać, że musi on jakoś wejść do kotłowni. To oznacza, że bez ocieplenia nie może być szerszy niż drzwi przez które trzeba go będzie wnieść (zwykle 70–90cm).

Wybór kotła

Zasady doboru mocy kotła do potrzeb budynku przy zastosowaniu bufora ciepła przestają obowiązywać, bo nie grzejemy już wprost budynku, ale wielką beczkę z wodą. Dlatego moc kotła może być niemal dowolnie wysoka. Ograniczeniem jest nie tyle moc kotła co raczej objętość zasypu.

Bez problemu można zastosować kocioł o mocy 20–30kW a nawet większej. Taki większy kocioł może być o wiele tańszy niż moce niższe. Przewymiarowanie mocy kotła w stosunku do obliczeń projektanta nie jest wykroczeniem ale wręcz przeciwnie niesie wymierne korzyści.

Budowa instalacji z buforem ciepła

O stopniu skomplikowania instalacji z buforem ciepła i wewnętrznej budowy samego bufora decydują rodzaje i ilość źródeł ciepła, z jakich będzie on zasilany.

Układ pompowy jest nieco bardziej skomplikowany, ale za to rozwiązuje niedogodności występujące przy grawitacji. Oczywiście pod warunkiem, że się go właściwie wykona.

Dobry przykład można znaleźć na stronie Kalvisa (schemat poniżej). W układzie ładowania bufora znajduje się pompa oraz zawór termostatyczny zapewniający ochronę powrotu.

 

Grzanie CWU z bufora

Bufor ciepła szalenie ułatwia życie jeśli chodzi o przygotowanie ciepłej wody użytkowej (CWU):

• nie trzeba kupować osobnego bojlera dla CWU, który co kilka lat wymaga wymiany ze względu na korozję (powodowaną przez stały napływ świeżej, natlenionej wody).
• CWU grzana jest przepływowo — znika problem legionelli
• latem nagrzanie bufora kotłem do pełna zapewni ciepłą wodę na ładnych kilka dni

Grzanie CWU z bufora ciepła odbywa się za pośrednictwem wężownicy, przez którą przepływa zimna woda pitna i nagrzewa się od gorącej wody w buforze. Na ile dobrze to będzie działało, zależy przede wszystkim od powierzchni wężownicy. Im jest ona większa, tym wyższą temperaturę CWU można uzyskać już przy niższej temperaturze wody w buforze.

Nie bój się hajcować

Zanim pójdziesz w bufor ciepła, pogódź się z jedną podstawową kwestią: bufor należy grzać do jak najwyższych temperatur. Niby to oczywiste, ale zdarzają się osoby, które najpierw instalują bufor, a potem boją się go zagrzać bardziej niż do 50st.C. Bo gorący to i straty do otoczenia duże. Guzik prawda!

Bufor ciepła w założeniu ma być grzany do jak najwyższych temperatur. Po to robi się grubą, wymyślną izolację, aby straty postojowe w zestawieniu z zyskami były śmiesznie małe. To tylko nasze atawizmy wynikające z nabytych do tej pory wzorców grzania nie pozwalają nam w pełni wykorzystać zalet bufora ciepła. Możliwość trzymania w nim wrzątku przez wiele dni jest jedną z nich.

Na podstawie: czysteogrzewanie.pl