Bufor ciepła - wygodne ogrzewanie tanimi paliwami

Duża beczka z wodą połączona z najprostszym kotłem czyni prawie cuda, rozwiązując podstawowe bolączki takich kotłów. Bufor ciepła to rozwiązanie proste prawie jak budowa cepa, które sprawia, że palenie węglem i drewnem w najprostszym kotle ładowanym szuflą staje się niemal tak czyste, efektywne i wygodne jak ogrzewanie kotłem podajnikowym. Z tą różnicą, że można spalać paliwa o wiele tańsze, np. dostępne lokalnie drewno.

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. Informacje zostały pozyskane z kopalni wiedzy na temat buforów ciepła - wątku na forum Muratora Jak "to" się robi? - czyli bufor ciepła.

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.

Uproszczony schemat instalacji z buforem ciepła

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 zasypowy staje się czysty i mało wymagający w kwestii obsługi – niemal jak kocioł podajnikowy, przy czym można palić dowolnym (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 na węgiel czy drewno. 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. 2000zł. Dodaj do tego wężownicę solarną oraz CWU i cena rośnie do 4-5 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. Więcej o tym w dalszej części artykułu.

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 lub pelletem - te rodzaje ogrzewania są świetnie sterowalne i nie wymagają 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 zasypowe 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 nie osiągnie na pewno sprawności podawanej w folderach reklamowych, ale realistycznie można oczekiwać okolic 70%, ponieważ 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.

Kwestie strategiczne

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). 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

Najłatwiej kupić gotowy zbiornik przeznaczony pod bufor ciepła. Najprostszy 1000-litrowy to koszt ok. 2000-2500zł. Powinien on wyglądać jak na zdjęciu poniżej: po 4 wyprowadzenia 6/4 cala na czterech poziomach dla zasilania bufora oraz dla poboru ciepła. Ten akurat zbiornik nie ma żadnych wężownic w środku. Dopóki do bufora nie podpinasz grzania CWU albo solarów - żadna wężownica nie jest potrzebna. Gotowy zbiornik z dwiema wężownicami (solarną oraz dla CWU) będzie kosztował co najmniej 4-5 tys. zł.

Gotowy zbiornik pod bufor ciepła - po lewej goły, po prawej w ociepleniu.

Głównym mankamentem gotowego zbiornika może być dość kiepskie fabryczne ocieplenie. Ten element najlepiej wykonać porządnie samemu by był jak najlepszy, bo przekłada się to na czas "trzymania ciepła" przez bufor.

Zbiornik z wężownicami jest już dość drogi. Tańsza opcja to zakup dowolnego zbiornika i samodzielna przeróbka na bufor ciepła. Konieczne będą umiejętności spawalnicze lub zlecenie zadania fachowcowi, ale finalny koszt i tak będzie znacznie niższy niż cena gotowego zbiornika.

Jaki zbiornik nada się na bufor:

• ze zwykłej czarnej stali min. 3mm grubości
• nieskorodowany w stopniu zagrażającym wytrzymałości
• względnie czysty w środku
• musi być bardziej długi jak szeroki i da się ustawić w pionie

Najprostszy grawitacyjny układ ładowania bufora ciepła

Jedynym warunkiem działania takiego układu jest aby wlot do bufora znajdował się wyżej niż wylot z kotła. Jednak taki prosty układ ma kilka wad:

• zimny powrót - przez dość długi czas po rozpaleniu woda na powrocie do kotła będzie miała bardzo niską temperaturę. Chociaż tutaj sytuacja z ochroną powrotu jest nieco inna niż w kotle grzejącym budynek wprost. Kocioł grzejąc bufor nie ma momentów przestoju - cały czas pracuje i to z dużą mocą, a więc przeciąg w kanałach spalinowych utrudnia kondensację groźnych składników spalin na wymienniku. Dlatego zimny powrót nie jest aż tak groźny, choć zawsze lepiej dmuchać na zimne.
• stopniowe nagrzewanie - grawitacja będzie wysysać ciepłą wodę z kotła jak tylko zdoła się ona nieco podgrzać, dlatego bufor nie zostanie od razu naładowany do 80-90st.C, lecz najpierw cała objętość bufora będzie musiała przepłynąć przez kocioł kilka razy, za każdym razem będąc stopniowo podgrzewana coraz bardziej. Jak szybko woda osiągnie wysoką temperaturę, to zależy od aktualnej mocy kotła.
• cofanie się ciepłej wody do kotła po jego wygaszeniu - co powoduje ucieczkę ciepła z bufora, czyli jego nielegalne rozładowanie

Problemu zimnego powrotu nie da się rozwiązać przy napędzie grawitacyjnym, ponieważ bez pompy nie jest możliwe wykonanie podmieszania gorącej wody z zasilania na powrót.
Podobnie sprawy stopniowego nagrzewania nie można się całkowicie pozbyć, bo prędkość przepływu grawitacyjnego reguluje się sama i jeśli aktualnie kocioł nie osiąga mocy pozwalającej na zagrzanie wody od 20st.C do 80st.C (a trzeba by ze 40kW), to woda zostanie podgrzana o kilkanaście stopni i powędruje do bufora. Nie ma możliwości spowolnienia jej przepływu, aby zdążyła się nagrzać bardziej.

Chcąc ładować bufor grawitacyjnie, z wyżej wymienionymi minusami trzeba się pogodzić. Natomiast można i da się zapobiec ucieczce ciepła do kotła. Są na to co najmniej dwa sposoby:

• zawór zwrotny klapowy
• zasyfonowanie rury zasilania

Rozwiązanie z zaworem klapowym jest proste i skuteczne, a do tego działa od razu. Wystarczy wstawić taki zawór na powrocie do kotła, a zablokuje on działanie grawitacyjnego obiegu w niepożądanym kierunku (do kotła) pozostawiając przy tym możliwość pracy grawitacji w kierunku właściwym.

Zbiorniczek w sam raz na bufor ciepła.

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. Jeśli trzeba oszczędzać miejsce, można użyć prostopadłościanu, może nawet przesadnie "uzbrojonego". Wbrew intuicji te parę ton wody nie napiera aż tak mocno własnym ciężarem, by prostopadłościan z kilkumilimetrowej blachy miał się łatwo wyoblić.

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

Kocioł zasypowy do współpracy z buforem musi być poprawnej konstrukcji kotłem górnego lub dolnego spalania. Będzie pracował ze stałą, wysoką mocą, dlatego zbędne staje się jakiekolwiek sterowanie kotłem bardziej wyrafinowane niż klapka i śrubka.

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. Ilość paliwa musi być tak dobrana, aby ilość wytworzonego ciepła nie przekroczyła pojemności cieplnej bufora.

Bez problemu można zastosować kocioł o mocy 20-30kW a nawet większej. Taki wielki kocioł może być o wiele tańszy niż moce niższe. Być może w pobliskim sklepie zalega 30-kilowatowy potwór, którego nie udało się nikomu wcisnąć i sprzedawca odda go za śmieszne pieniądze? A może na lokalnym serwisie ogłoszeniowym ktoś chce się pozbyć za grosze mocno przewymiarowanego kotła, który wykończył go nerwowo?

Bufor z kotłem podajnikowym?

Podpięcie kotła podajnikowego pod bufor ciepła ma umiarkowany sens. Sprawność kotła podajnikowego utrzymuje się na wysokim poziomie w szerokim zakresie obciążenia, a znacząco spada dopiero przy pracy poniżej 30% mocy nominalnej. Sprawa może być warta rozważenia jedynie w wysoce energooszczędnych domach, w których przeciętnie kocioł podajnikowy pracowałby z mocą 2-3kW czyli poniżej 30% mocy nominalnej najmniejszych modeli.

Zagrzanie bufora przez kocioł podajnikowy to żaden problem. Gorsze jest to, co potem. Kocioł musi przejść w podtrzymanie do czasu, aż bufor choć trochę się rozładuje. Podtrzymanie będzie więc zjadać zysk z pracy z wysoką mocą. Ale mimo wszystko podtrzymanie może być lepsze niż praca z mocą 2-3kW, która z uwagi na niską temperaturę spalin może powodować problemy z kondensacją wilgoci w kominie.

Jakie paliwo

Tylko rodzaj kotła i wygoda palacza są ograniczeniem dla rodzaju paliwa. Można palić wszystkim, co jest tanie i dostępne, a spalać to czysto, efektywnie i wygodnie.

Oczywiście im paliwo bardziej kaloryczne, tym mniejsza ilość będzie potrzebna do nagrzania bufora i zajmie ono mniejszą objętość. W przypadku mało kalorycznych, drobnych paliw jak odpady drewniane jeden zasyp może nie wystarczyć do naładowania bufora, dlatego wybierając moc kotła i jego pojemność zasypową, trzeba wziąć pod uwagę także rodzaje paliw, jakie zamierza się stosować.

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.

Ładowanie bufora przez kocioł zasypowy

Grawitacja

Do ładowania bufora można zastosować kilka rozwiązań o różnym stopniu skomplikowania. Nic nie stoi na przeszkodzie, by grzać bufor grawitacyjnie.

Grawitacyjny układ ładowania bufora z klapowym zaworem zwrotnym - stan po wygaszeniu kotła, zawór zamkniętyAlternatywnie można wykorzystać prawa hydrostatyki do zablokowania ucieczki ciepła do kotła przez zasyfonowanie rury zasilania. Rysunek poniżej przedstawia układ w stanie ustalonym, w którym przepływ zostaje zablokowany.

Zasyfonowanie rury zasilania zapobiegające grzaniu kotła przez bufor

Rozwiązanie ma jeden minus: część gorącej wody musi cofnąć się z bufora aby syfon zaczął działać i przepływ został zatrzymany. Poza tym takie prowadzenie rury zasilania stwarza też trudności dla uruchomienia przepływu grawitacyjnego we właściwym kierunku w trakcie rozpalania. Tutaj są dostępne szczegóły tego rozwiązania, łącznie z wyliczeniami zasady działania.

Pompa

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.

Schemat układu z ładowaniem bufora ciepła w instalacji pompowej

Jak to działa? Kocioł ma swój krótki obieg, którego temperaturę ustala się regulowanym trójdrożnym zaworem termostatycznym umieszczonym na powrocie kotła. Woda w tym obiegu jest zawracana do kotła póki nie osiągnie ustawionej na w/w zaworze temperatury. Dopiero wtedy zasila bufor. Eliminuje się tym sposobem problem zimnego powrotu oraz podnosi temperaturę ładowania bufora. Fizyki się nie oszuka - ładowanie na grawitacji przy takiej samej mocy kotła zajęłoby taki sam czas, ale temperatura wody rosłaby stopniowo. Rozwiązanie z krótkim obiegiem pozwala od razu ładować bufor wodą o wysokiej temperaturze, a uwarstwienie bufora sprawia, że od razu można z tej wody korzystać.

Urządzeniem typu wszystko-w-jednym realizującym łatwe połączenie kotła z buforem jest laddomat. Łączy on w sobie pompę, zawory odcinające i termostatyczną regulację przepływu a także zapewnia zawsze minimalny grawitacyjny przepływ na wypadek braku prądu.Zasada działania jest podobna jak instalacji ze schematu powyżej, tyle że wszystkie istotne podzespoły zmontowane są w jednym korpusie. Woda z krótkiego obiegu wędruje do bufora dopiero po przekroczeniu ustalonej temperatury. Regulacja tej temperatury odbywa się za pomocą wkładek termostatycznych o określonej temperaturze otwarcia. Dostępne są wkładki dla 53st.C, 63st.C, 72st.C, 78st.C oraz 83st.C.

Schemat instalacji z laddomatem, rys. budkompleks.com

Laddomat nie jest jednak urządzeniem idealnym. Pierwszym mankamentem jest jego cena: ok. 1000zł + ok. 100zł za jedną wkładkę termostatyczną. Poza tym niekoniecznie załatwia on wszystkie problemy. Ponieważ zachowana zostaje możliwość awaryjnej pracy układu na grawitacji, nie ma tutaj możliwości dowolnego wyregulowania przepływu wody przez kocioł. A byłaby to rzecz przydatna, bo zbyt mały przepływ to słaby odbiór ciepła z kotła i niepotrzebnie wydłużone ładowanie bufora, zaś przepływ zbyt duży - smolenie kotła.Układ działający jak laddomat (tyle że lepiej) przedstawił nilsan na forum Muratora.

Schemat instalacji lepiej realizujący funkcje laddomatu.

Tak działanie układu opisuje autor schematu:

Podczas rozruchu kotła przy zimnym buforze rozpoczyna się proces jego ładowania na drodze grawitacyjnej poprzez zawór zwrotny klapowy ZZK. Po osiągnięciu temperatury zadanej np. 60*C na czujniku CTW, uruchamiana jest pompa obiegu kotłowego. Różnica ciśnień na zaworze ZZK wywołana pracą pompy, powoduje jego zamknięcie i rozpoczyna się proces wymuszonego ładowania bufora pompą kotłową.
Ponieważ temperatura mierzona na powrocie do kotła za pomocą sondy głowicy termostatycznej z kapilarą zaworu ZT jest w tej sytuacji niższa od temperatury zadanej 40*C, to zawór ZT jest w pełni otwarty. Część gorącej wody z przewodu zasilania jest zawracana poprzez zawór ZT w kierunku do przewodu powrotnego w obiegu z pompą, w której następuje jej zmieszanie z chłodną wodą powracającą z bufora.
W miarę zbliżania się temperatury na powrocie do kotła do temperatury zadanej na głowicy termostatycznej zaworu ZT, zawór zacznie się przymykać, a po jej przekroczeniu nastąpi jego całkowite zamknięcie. W ten sposób jest realizowana funkcja ochrony powrotu kotła.
Za pomocą zaworu regulacyjnego ZR regulujemy punkt pracy pompy kotłowej ze stałą charakterystyką, dostosowując za jego pomocą wielkość przepływu wody przez kocioł do jego mocy.
Pompa jest zamontowana w układzie zasyfonowania, który zapobiega rozładowywaniu się bufora poprzez kocioł, pomimo braku za nią zaworu zwrotnego. Podobną funkcję pełni zawór ZZK.

Budowa wewnętrzna bufora

Ilość potrzebnych przyłączy w buforze ciepła zależy od tego, ile źródeł ciepła i odbiorników zamierzamy w nim połączyć. Podstawowa wersja łącząca kocioł oraz grzejniki i/lub podłogówkę wymaga tak naprawdę pustej beczki z czterema przyłączami (nie licząc odpowietrzenia i spustu wody).

Najprostszy bufor ciepła zasilany tylko z kotła, z odbiorem ciepła przez grzejnikiTaki bufor można kupić w każdym sklepie z buforami. Skoczmy od razu na głęboką wodę po przypadek łączący chyba wszystkie możliwe źródła ciepła i sposoby jego odbioru. Jest to delikatnie zmieniona w kwestii grzania CWU

Bufor ciepła łączący wiele źródeł ciepła i odbiorników wg projektu adam_mk

Powyższy projekt bufora łączy w sobie następujące źródła ciepła:

• kocioł - dostarcza najgorętszą wodę, dlatego przyłącze zasilania znajduje się u góry, a powrót na dole, aby możliwe było zagrzanie kotłem całej objętości bufora
• solary - wężownica powinna znaleźć się jak najniżej, gdyż kolektory działają tym efektywniej im zimniejszą wodę grzeją. Nietypowy układ wężownicy motywowany jest chęcią zwiększenia jej sprawności. Struga ciepłej wody znad każdego zwoju wężownicy nie omywa tutaj zwojów położonych wyżej (jak to ma miejsce w wężownicach cylindrycznych, przez co efektywność wymiany ciepła wyższych zwojów zostaje upośledzona). Ponadto wężownica solarna nakryta jest ściętym stożkiem z cienkiej (~1mm) czarnej blachy, który kieruje strugę gorącej wody pionowo w górę. Ogranicza to mieszanie gorącej wody z solarów z warstwami pośrednimi.
• grzałka elektryczna - sensownym sposobem na grzanie bufora jest użycie grzałki elektrycznej, najlepiej trójfazowej, uruchamianej w taniej taryfie nocnej. Można z tego zrobić podstawowy sposób ogrzewania, ale grzałka przyda się także jako awaryjny (albo po prostu wygodny) sposób grzania gdy nie ma słońca a nie chce się rozpalać w kotle. Grzałka znajduje się pod wężownicą solarną, więc również będzie korzystać z "lejka".
• pompa ciepła - zasilanie z pompy ciepła nie powinno znajdować się wyżej jak w połowie bufora, ponieważ temperatura wody z pompy ciepła to 35-60st. Dlatego woda z pompy ciepła - zależnie od jej temperatury i stopnia naładowania bufora - raz będzie wędrowała w górę, raz w dół. Stąd taka konstrukcja rozprowadzająca wodę z zasilania pompy ciepła w buforze. Umożliwia ona kierowanie jej zarówno do góry jak i na dół, a przelot przez środek powinien mieć większą średnicę niż "lejek" solarny. W ten sposób strugi ciepłej wody z solarów i z pompy ciepła nie będą się wzajemnie zakłócać.

Odbiornikami ciepła są:

• grzejniki i/lub podłogówka - zasilanie umieszczone jest w najwyższej części zbiornika, natomiast powrót powinien być nieco powyżej lejka solarnego, ponieważ temperatura wody powracającej z grzejników zwykle będzie wyższa niż temperatura dna zbiornika (10-20st.C)
• wężownica CWU - służy do przepływowego grzania ciepłej wody użytkowej. Zasady jej budowy zostaną omówione osobno.

Przyłącza zasilania i powrotu powinny być zakończone wewnątrz bufora kolanami 90 stopni ustawionymi tak, aby woda pobierana i odprowadzana przez źródła ciepła oraz odbiorniki powodowała ruch wirowy całej objętości w jednym kierunku. Takie zachowanie wspomaga uwarstwienie wody w buforze.

Kierunek ruchu wirowego powinien być przeciwny do kierunku ruchu wskazówek zegara (ma to jakiś związek z efektem Coriolisa).

Kiedy potrzebna wężownica

Kiedy tylko się da, należy unikać stosowania wężownic. To niepotrzebny wydatek, problem wykonawczy i kolejny wymiennik, który z natury ma mniejszą efektywność niż bezpośredni przepływ wody.

Wężownica potrzebna jest tylko tam, gdzie dwa układy bezwzględnie muszą być rozdzielone:

• dla grzania CWU
• dla solarów

Kocioł, grzejniki, podłogówkę należy połączyć w jednym układzie. Jeśli grzejniki wymagają układu zamkniętego, to najlepiej cały bufor wraz z kotłem także zamontować w układzie zamkniętym (jeśli kocioł jest do tego fabrycznie przygotowany, z wymaganymi zabezpieczeniami!)

Wężownica solarna i "lejek"

Jak było wyżej wspomniane, stożkowa budowa wężownicy solarnej ma na celu zwiększenie efektywności wymiany ciepła. Przykładowe wykonanie takiej wężownicy na zdjęciu poniżej.

Przykład wykonania wężownicy solarnej.

Do wykonania wężownicy solarnej potrzeba ok. 25mb rury miedzianej fi 15mm. Miedź to najlepsza opcja, ponieważ świetnie oddaje ciepło. Wężownica wykonana ze stali musiałaby być parę razy dłuższa. Zamiast miedzi stosuje się też karbowaną rurę ze stali nierdzewnej. Ma ona nieporównanie większą powierzchnię wymiany, jednak jest równie droga co rura miedziana i trudniejsza w obróbce (bardzo cienka - trudno zwinąć, trudno spawać, łączenia wykonuje się specjalnymi złączkami).Do kompletu dochodzi stożek skupiający strugę z wężownicy solarnej. Może być też wykonany z przedłużeniem, co czyni z niego coś w rodzaju odwróconego lejka. Przykład wykonania poniżej. Warto zauważyć, że pionowa rura ma podłużne nacięcia na całej długości - nie musi i nie powinna być szczelna.

Przykładowe wykonanie lejka solarnego.

Zasilanie instalacji grzewczej z bufora ciepła

Chcąc pobierać ciepło z bufora, trzeba najpierw obniżyć temperaturę wody do wymaganej przez grzejniki czy ogrzewanie podłogowe. Tę funkcję bez problemu spełni trójdrożny zawór mieszający. Do tego konieczna będzie pompa zapewniająca obieg w instalacji grzewczej.

Zasilanie z bufora daje wyśmienite możliwości regulacji, dlatego najlepiej zastosować tutaj automatyczny regulator, który będzie w stanie sterować:

• pracą i wydajnością pompy obiegowej
• temperaturą wody nastawioną na zaworze termostatycznym

co w efekcie da bardzo dokładną kontrolę nad temperaturą w domu, łącznie z możliwością sterowania pogodowego (co tylko sterownik będzie potrafił).

Schemat układu odbierającego ciepło z bufora na potrzeby ogrzewania budynku

Najlepiej, gdy temperatura potrzebna na grzejnikach do efektywnego grzania jest jak najniższa. Wydłuża to możliwość korzystania z ciepła zebranego w buforze. Przykładowo grzejniki zasilane wodą o temperaturze 60st.C dość szybko schłodzą cały bufor z 85st.C np. do 40st.C. Wodę o tej temperaturze można dalej tłoczyć w grzejniki, ale ich moc grzewcza będzie już niższa niż przy zasilaniu gorącą wodą.

Dlatego najlepszymi odbiornikami ciepła są grzejniki niskotemperaturowe - jak podłogówka, która osiąga wymaganą moc grzewczą przy bardzo niskiej temperaturze zasilania (do 35st.C). Sprawdzą się także nieco przewymiarowane grzejniki (dobrane pod zasilanie max. 55st.C). Stare grzejniki żeliwne dobrane pod zasilanie 80st.C mogą się okazać za małe, chyba że budynek został w międzyczasie docieplony i teraz te same grzejniki oddają wymaganą moc cieplną daleko poniżej 60st.C.

Zmiany w instalacji CO po dodaniu bufora ciepła

Dodanie bufora ciepła do istniejącej instalacji grzewczej nie wymusza większych zmian poza kotłownią. Ale jedno, co koniecznie trzeba zmienić to naczynie wzbiorcze (w układzie otwartym) lub naczynie przeponowe (w układzie zamkniętym). Teraz muszą one być duuużo większe!

Im więcej wody w układzie, tym większe ilościowo są zmiany jej objętości w trakcie podgrzewania. Normy stanowią, by naczynie wzbiorcze w układzie otwartym miało pojemność 4 - 6% objętości wody w instalacji. Instalacja bez bufora ciepła mieści powiedzmy ok. 200l wody, więc wystarczy naczynie o pojemności 8 - 12l.

Ale co się dzieje, gdy podepniemy bufor o pojemności 1000l? Łączna pojemność instalacji wynosi już 1200l, czyli naczynie wzbiorcze musi mieć pojemność 48 - 72l.

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.Poniżej przykład wykonania wężownicy CWU z miedzi. Średnica zwoju to ok. 3/4 średnicy bufora. Zwoje zagęszczają się ku górze zbiornika (góra wężownicy znajduje się po prawej stronie zdjęcia).

Wężownica CWU luzem.

Wężownica CWU zamontowana w buforze - widok od góry.

Powyższa wężownica wykonana jest z 25mb rury miedzianej o średnicy 18mm co daje ok. 1,5m2 powierzchni wymiany. Rozwiązaniem często pojawiającym się na forum Muratora jest 25mb rury miedzianej fi 22mm co daje ok. 1,7m2 powierzchni wymiany.

Wybierając miedź jako materiał na wężownicę pamiętaj, że łączenie niektórych metali powoduje ich przyspieszoną korozję. Dlatego nie powinno się skręcać bezpośrednio np. rury miedzianej ze stalową - należy zastosować śrubunek ze stali nierdzewnej lub mosiądzu albo przekładkę izolującą np. z teflonu. Inaczej na styku tych dwóch metali powstaje ogniwo elektrochemiczne i następuje szybka korozja.ownicy nie jest łatwe. Na podstawie zbudowanych przez ludzi buforów widać, że wyżej wspomniane 25mb miedzi fi 22mm pozwala uzyskać w kranie 40 stopni gdy u góry bufora woda ma ok. 50 stopni. Przy większym poborze (prysznic, nie mówiąc o wannie) sukcesem byłoby 30 stopni.

Osiągi przy niezbyt nagrzanym buforze mogłoby polepszyć wydłużenie wężownicy lub zastosowanie dwóch odcinków rury o mniejszej średnicy (18 lub 15mm). Na przeszkodzie mogą stanąć jedynie koszty i miejsce w buforze.

Jednak grzanie przepływowe rządzi się swoimi prawami - z pustego nie nalejesz. Nawet największa powierzchnia wężownicy nie pomoże, gdy w buforze woda jest letnia. Zamiast kombinować, jak z nagrzanego w połowie do 50st.C (czyli prawie pustego) bufora wydobyć ciepłą wodę do kąpieli, lepiej nagrzać bufor do pełna i mieć gorącą wodę na kilka dni.

Prawidłowa izolacja bufora ciepła

Otuliny, w jakie pakowane są fabryczne bufory ciepła, mają tylko jedną zaletę: ładnie wyglądają. Ale w roli izolacji sprawdzają się kiepsko. Dobra izolacja będzie nieco brzydsza, ale za to skuteczna.

Przede wszystkim liczy się grubość. 20cm izolacji to rozsądne minimum, a jeśli się da - ładuj 30cm i więcej. Materiały nie muszą być kosmiczne, ale trzeba użyć ich poprawnie. Celem jest zablokowanie ucieczki ciepła zarówno przez konwekcję (dzięki unieruchomieniu powietrza w warstwie izolacji) jak i promieniowanie (stosując folię aluminiową).

Cel ten spełni izolacja zbudowana w taki sposób:

• na goły zbiornik 5cm wełny
• na wełnę folia aluminiowa - można kupić wełnę z doklejoną fabrycznie folią albo owinąć zbiornik kocem ratowniczym
• na to kolejna warstwa wełny 10-15cm
• całość owinąć ciasno folią stretch albo zabudować za ścianką z płyty gipsowo-kartonowej (wypełniając pustki np. posiekanymi drobno odpadami styropianowymi)
• inna opcja wykończenia z wierzchu to owinięcie ciasno bandażem, zatarcie na gładko gipsem i pomalowanie takiej skorupy kilkoma warstwami farby olejnej

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.

Bufor grzany prądem

Choć najwięcej dobrego wynika z połączenia bufora ciepła z kotłem na węgiel czy drewno, to równie prosty, skuteczny i tani sposób ogrzewania - zwłaszcza w nowych, małych domkach - może stanowić bufor grzany prądem w taryfie nocnej.

Jak to działa

Kluczem do powodzenia przedsięwzięcia jest przejście na dwustefową taryfę opłat za prąd. Taryfa o kryptonimie G12 dzieli dobę na dwie strefy:

• "nocną" - w godzinach 22:00 do 6:00 oraz za dnia: od 13:00 do 15:00, gdzie cena 1kWh to ok. 0,26zł
• "dzienną" - w pozostałym czasie, wtedy prąd kosztuje ok. 0,7zł/kWh

Dokładne godziny i ceny mogą być różne u poszczególnych sprzedawców energii elektrycznej, ale proporcja jest podobna. Jest też taryfa G12w – z tanim prądem dodatkowo przez cały weekend.

Zasada działania jest prosta: automat załącza grzałki w buforze we właściwych godzinach i grzeje go ile się da. Instalacja trójfazowa i grzałki o mocy ok. 10kW są konieczne aby grzanie było szybkie. Umożliwi to konkretne podładowanie bufora w dziennym "okienku" taniej taryfy.

Co jest potrzebne

Aby grzać dom z bufora ciepła zasilanego tanim prądem potrzebne będą:

• przyłącze elektryczne
• bufor ciepła
• grzałki o łącznej mocy ok. 10kW
• do tego najlepiej podłogówka

Najlepiej takie ogrzewanie sprawdzi się w świetnie zaizolowanych nowych domach ogrzewanych wyłącznie podłogówką, która do zasilania wymaga wody o niskiej temperaturze w porównaniu z klasyczną instalacją grzejnikową. Oczywiście bufor nadal grzeje się jak najwyżej, ale zasób energii w nim zebrany dłużej jest użyteczny (woda o temperaturze 30st.C w podłogówce nadal grzeje, podczas gdy 30st.C na grzejnikach to już nie grzanie). Dodatkowo można podłączyć do bufora kolektory słoneczne, które nawet nieco wspomogą ogrzewanie i pozwolą zaoszczędzić trochę prądu. Podgrzanie wody solarami do 30-40st.C jest bowiem możliwe przez większość roku, nawet w słoneczne dni grudnia i stycznia.

Plusy dodatnie i ujemne

Jakie są zalety takiego rozwiązania:

• proste i skuteczne - kable elektryczne i grzałki to w porównaniu do pompy ciepła urządzenia bardzo proste, a więc niemal bezawaryjne
• niskie koszty inwestycji - jedyne wymaganie to zasilanie trójfazowe dla grzałek (z odpowiednią mocą przyłączeniową), które i tak jest w domach instalowane. Nie trzeba mieć przyłącza gazowego, nie trzeba budować kotłowni ani komina, ogrzewanie jest całkowicie bezobsługowe i czyste.
• względnie tanie grzanie - przy obecnej możliwości zmiany dostawcy energii elektrycznej można wyszukać takiego, który oferuje najlepsze warunki dla grzejących prądem, tak by zbliżyć się do ok. 0,30zł/kWh. Porównanie do powietrznej pompy ciepła jest trudne z uwagi na jej zmienną efektywność pracy (COP), ale średniorocznie można przyjąć COP w granicach 2 - 3, więc koszt 1kWh z pompy ciepła to 0,20-0,30zł (gdy PC pracuje w taryfie dziennej z 0,60zł/kWh). Nawet zakładając optymistycznie 30% niższy koszt grzania powietrzną pompą ciepła, gdy roczny rachunek za ogrzewanie w nowym domu wynosi ok. 1000zł, to zwrot kosztu jej zakupu potrwa kilkanaście lat.
• szeroko dostępne - to świetna alternatywa dla gazu ziemnego. Nie wszędzie stan sieci energetycznej będzie zachęcał do polegania na prądzie w ogrzewaniu domu, jednak przyłącze elektryczne jest o wiele szerzej dostępne niż przyłącze gazowe.

Ogrzewanie przez bufor grzany prądem ma też kilka wad:

• nocna taryfa - wymaga dopasowania stylu życia tak aby pobór energii elektrycznej przenieść poza drogie godziny, co nie zawsze musi być łatwe i komfortowe
• niepewność zasilania - jeśli przerwy w dostawie prądu są w twojej okolicy nagminne, to oczywiście nie ma sensu pakować się w takie ogrzewanie. Tak czy inaczej rozsądek nakazuje, by mieć w zanadrzu awaryjny sposób ogrzewania. Tę rolę może spełniać np. kominek z płaszczem wodnym, nawet jeśli na co dzień nie będzie używany.

Skoro to takie proste, tanie i dobre, to czemu pierwszy raz o tym słyszysz? Po prostu sprzedawcy pomp ciepła mają lepszy marketing, a bufor ciepła ogólnie jest mało atrakcyjny w czasach komputerków, wiatraczków i wodotrysków, bo jest taki analogowy.

Doświadczenia osób ogrzewających domy buforem ciepła grzanym prądem znajdziesz na forum Muratora w wątku poświęconym temu sposobowi grzania oraz w temacie dla grzejących prądem w ogólności.

Przykłady dobrej roboty

Użytkownik goothic na znanym portalu ze śmiesznymi obrazkami relacjonuje proces budowy i uruchomienia bufora. Jest to o tyle ciekawy przypadek, że zbiornik jest prostopadłościenny i został pomieszczony w dość ciasnym kącie, co pokazuje, że można poradzić sobie przy ograniczonym miejscu (choć o gotowe zbiorniki prostopadłościenne raczej trudno, ten został sprowadzony z Litwy, ale jest to na tyle prosta rzecz, że lokalny spawacz da sobie radę).

Przykładem dobrych skutków zastosowania bufora ciepła jest także kotłownia, którą miałem okazję zwiedzać w Golinie k. Konina. Stojący w niej kocioł dolnego spalania Buderus 32kW był kiedyś ponad dwa razy za duży względem potrzeb budynku, stąd był źródłem niekończącej się udręki i niewiele brakowało a dawno przywitałby się z hutą, zaś teraz jedynym zmartwieniem właściciela byłyby rachunki za gaz. Ale jakimś cudem trafił się świadomy instalator, który zamiast gazu dołożył do instalacji bufor ciepła.

Problemy zniknęły jak ręką odjął, palenie stało się przyjemnością. Choć 1000-litrowy bufor nie pozwala na zbyt długie okresy bez rozpalania, to jednak kultura spalania jest na poziomie kotła podajnikowego. Zbiornik kosztował 5000zł – to niemało, ale nie aż tak dużo gdy wziąć pod uwagę, że ma wbudowaną wężownicę do podgrzewania wody kranowej na całej swej wysokości. Właściciel jest prze-zadowolony i nie żałuje ani złotówki.