Zbiorniki c.w.u.: rozwiązania magazynowania, ładowania i poboru (1)

Zasobniki i podgrzewacze wody

Oferta firm w zakresie urządzeń do podgrzewania wody użytkowej jest bardzo szeroka. Nawet jeśli skupimy się wyłącznie na urządzeniach pojemnościowych, natrafimy na wiele różnych konstrukcji. Różnią się one przede wszystkich sposobem współpracy ze źródłem ciepła, rodzajem wymiennika ciepła, kształtem, sposobem montażu i wieloma innymi cechami. Czasem trudno rozeznać się w gąszczu ofert i wybrać odpowiednie urządzenie. W niniejszym artykule opisujemy najbardziej popularne na rynku rozwiązania.

Etymologia nazw

Zagłębiając się w tę tematykę od razu natkniemy się na różne określenia dotyczące czasami takich samych produktów, czyli urządzeń, które zapewniają podgrzanie i zmagazynowanie ciepłej wody użytkowej. Popularnym określeniem dla tej grupy produktów jest słowo „zasobnik” lub „zasobnik ciepłej wody”. Czasem jest ono zastępowane formą „pojemnościowy podgrzewacz wody”. Określenia te są dziś tak popularne, że nikt nie doszukuje się między nimi różnicy. Gdybyśmy chcieli podejść do tej kwestii czysto technicznie moglibyśmy powiedzieć, że zasobnik to urządzenie, którego główną rolą jest akumulacja, czyli magazynowanie pewnego zasobu podgrzanej poza zasobnikiem ciepłej wody. Natomiast pojemnościowy podgrzewacz wody to już nazwa określająca urządzenie składające się zarówno ze zbiornika na ciepłą wodę, jak i wymiennika ciepła za pomocą  którego woda jest podgrzewana.

Zasobniki ciepłej wody

Są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, np. w węzłach ciepłowniczych, w których woda jest ogrzewana w wymiennikach płytowych lub płaszczowo-rurowych, a magazynowana właśnie w zasobniku/zasobnikach.

Zasobniki do współpracy z pompami ciepła. Stosuje się je również w instalacjach z kotłami, pompami ciepła czy kolektorami słonecznymi. Decyzja o zastosowaniu tego rozwiązania wynika często z braku dostępności analogicznego podgrzewacza wody, który byłby w stanie odebrać moc źródła ciepła. Przykładowo w przypadku pomp ciepła ze sprężarką jednostopniową powierzchnia wężownicy zasobnika powinna wynosić co najmniej 0,2-0,25 mocy pompy ciepła. Jeśli np. w budynku stosujemy pompę ciepła o mocy 30 kW wówczas wymagana powierzchnia wężownicy to 6-7,5 m2. Taką powierzchnię wężownicy znajdziemy tylko w podgrzewaczach o dużej pojemności wody, rzędu 1500-2000 l, a czasem np. w obiekcie magazynowym potrzeby w zakresie przygotowania wody użytkowej są o wiele mniejsze. Często podgrzewacz wody, który miałby możliwość odebrania odpowiedniej mocy źródła ciepła jest bardzo kosztowny i ma nietypową konstrukcję. Wtedy jednym z rozwiązań jest właśnie mniejszej pojemności zasobnik oraz dodatkowy wymiennik ciepła, za pomocą którego energia ze źródła ciepła będzie przekazywana do wody użytkowej. Takie rozwiązanie pozwala zoptymalizować pracę całego układu, zapewnić przeniesienie wymaganej mocy bez potrzeby dobierania podgrzewacza o bardzo dużej pojemności.
W układzie z zasobnikiem ciepłej wody spełnia on rolę magazynu, chroni przed stratami ciepła i jest z reguły wyposażony w króciec rewizyjny do okresowego usuwania zanieczyszczeń oraz anodę ochronną zabezpieczającą przed korozją. Dla zapewnienia skutecznego podgrzewania wody w układzie niezbędne są jeszcze takie elementy, jak wymiennik ciepła oraz pompa ładująca oraz oczywiście źródło ciepła, armatura odcinająca i filtr zanieczyszczeń. Sposoby ładowania zasobników i poboru ciepłej wody Podczas podgrzewania/ładowania zasobnika bardzo ważny jest odpowiedni sposób poboru wody z dna zbiornika i wtłaczanie podgrzanej wody do górnej części zbiornika.
Konstrukcja zasobnika i układu ładowania musi wykluczać ryzyko powstawania w zasobniku „martwej strefy”, w której mogłaby zalegać chłodna lub w nieznacznym stopniu podgrzana woda. Mogłoby to bowiem być przyczyną późniejszego rozwoju bakterii z rodzinny Legionella. Z tego powodu woda płynąca do wymiennika ciepła jest z reguły pobierana z króćca na samym dole zasobnika lub z trójnika na wejściu zimnej wody do zasobnika. Dalej po podgrzaniu woda z powrotem trafia do zasobnika, tym razem do górnej części. W zależności od tego jakie źródło ciepła zasila
wymiennik, woda może być od razu podgrzewana do zadanej temperatury lub być sukcesywnie podgrzewana o kilka, kilkanaście stopni. Należy to mieć na uwadze podczas wyboru miejsca włączenia zasilania ciepłą wodą do zasobnika. Jeśli źródło ciepła, np. kolektory słoneczne lub pompa ciepła podgrzewają wodę powoli o kilka, kilkanaście stopni wówczas nie powinna ona trafiać po podgrzaniu do najwyższej strefy zbiornika, a nieco niżej by nie schładzać warstwy ciepłej wody, która utrzymuje się w górnej części zasobnika. Ewentualnie woda może być wprowadzona przez górny króciec, ale powinien on być wyposażony w kierownicę, która spowoduje, że woda chłodniejsza od tej, znajdującej się w górnej warstwie popłynie w dół, a woda o odpowiedniej temperaturze trafi do górnej części zasobnika.
Pojemnościowe podgrzewacze wody To kompletne urządzenia składające się ze zbiornika wody oraz wymiennika zapewniającego przeniesienie energii ze źródła ciepła do wody w zbiorniku. Podgrzewacze mogą mieć różną konstrukcję.

Podgrzewacze z wężownicą. Najbardziej popularne podgrzewacze z wężownicą to urządzenia o prostej konstrukcji. Jest to zasobnik ciepłej wody, w którym umieszczona jest spiralnie zwinięta rura, którą przepływa czynnik grzewczy. Zaletą tego typu podgrzewaczy jest prosta budowa, możliwość integracji kilku wężownic (najczęściej dwóch, trzech) do współpracy z kilkoma źródłami ciepła. Bardzo popularną odmianą tego typu podgrzewaczy jest wersja z dwoma wężownicami określana często, jako podgrzewacz biwalentny, ponieważ woda może być w nim podgrzewana przez dwa źródła ciepła, np. kolektory słoneczne i kocioł czy pompę ciepła. W zależności od pojemności podgrzewacza i umieszczonej w nim wężownicy mogą one czasami przenieść znaczną moc, nawet powyżej 100 kW.
Kolejną zaletą tego typu podgrzewaczy jest niewielkie, cykliczne rozszerzanie się i kurczenie wężownicy podczas rozgrzewania i stygnięcia. W wielu przypadkach spowalnia to proces odkładania się osadów na powierzchni wężownicy.

Płaszczowe – zbiornik w zbiorniku. Innym ciekawym rozwiązaniem jest podgrzewacz płaszczowy nazywany również podgrzewaczem typu zbiornik w zbiorniku. Jak sama nazwa wskazuje jest to zasobnik ciepłej wody umieszczony w drugim większym zbiorniku. W przestrzeni pomiędzy zasobnikiem wewnętrznym a zewnętrznym (płaszczem) przepływa czynnik grzewczy. Wymiana ciepła następuje więc przez ścianki wewnętrznego zasobnika c.w.u. Jedną z największych zalet zbiornika płaszczowego są bardzo niskie opory przepływu, z tego powodu często wykorzystuje się go w instalacjach grawitacyjnych z kotłami stałopalnymi. W układach tego typu zastosowanie podgrzewacza płaszczowego zapewnia jednocześnie przygotowanie ciepłej wody, jak i podwyższenie temperatury powrotu kotła. Jednak zastosowanie podgrzewaczy płaszczowych nie ogranicza się tylko do instalacji z kotłami stałopalnymi. W zależności od konstrukcji podgrzewacze te mogą współpracować również z kotłami gazowymi, kolektorami słonecznymi, pompami ciepła i nie tylko. Zawsze należy jednak przeanalizować parametry podgrzewacza i upewnić się, czy może on współpracować z danym źródłem ciepła. Chodzi przede wszystkim o moc, jaką podgrzewacz może odbierać od źródła ciepła, ponieważ cechą szczególną tego typu konstrukcji jest często powolny przepływ czynnika przez płaszcz. Toteż moc przekazywana przez ścianki zasobnika może być niska i to mimo znacznej powierzchni wymiany ciepła. W wielu modelach jest to rozwiązywane poprzez dodatkowe wyprofilowanie ścianek wewnętrznego zbiornika, by zwiększyć powierzchnię wymiany ciepła i wymusić zawirowanie wody w tym obszarze.

Zbiorniki płaszczowe a współpraca z pompą ciepła.
Dobranie podgrzewacza o zbyt małej mocy skutkuje często niekorzystną pracą źródła ciepła. Dotyczy to zwykle urządzeń, które dla uzyskania długiej żywotności powinny pracować w dłuższych cyklach np. pompy ciepła. Współpraca pompy ciepła z podgrzewaczem o zbyt małej mocy często objawia się tym, że temperatura czynnika w płaszczu rośnie bardzo szybko i źródło ciepła w krótkim czasie wyłącza się, woda jednak w wewnętrznym zasobniku wcale nie zdążyła się podgrzać. Dopiero w kolejnych minutach następuje powolne przekazywanie ciepła i niewielki wzrost temperatury. Jednak do osiągnięcia wymaganego komfortu źródło ciepła musi wystartować kolejny raz lub nawet dwa. Optymalnym rozwiązaniem byłoby zastosowanie podgrzewacza, który na bieżąco mógłby odbierać moc dostarczaną przez źródło ciepła. W ten sposób doszłoby do podgrzania wody użytkowej w jednym cyklu pracy.
Ciekawym przykładem wykorzystania możliwości zbiornika płaszczowego w nowoczesnej instalacji jest zastosowanie go w systemie z pompą ciepła, ogrzewaniem podłogowym i kilkoma grzejnikami łazienkowymi. W celu zapewnienia optymalnej i efektywnej pracy pompy ciepła można ją podłączyć bezpośrednio do instalacji podłogowej, a te 2-3 grzejniki łazienkowe zasilić z płaszcza podgrzewacza wody. Dzięki temu pompa ciepła przez większość czasu będzie zasilała instalację podłogową, pracując z maksymalną sprawnością, a raz na jakiś czas podgrzeje płaszcz podgrzewacza wody, utrzymując w ten sposób zadaną temperaturę c.w.u. i odpowiedni zasób energii dla grzejników łazienkowych. Jest to przykład połączenia wysokiego komfortu, jaki daje możliwość skorzystania z grzejnika łazienkowego w dowolnym momencie (również poza sezonem grzewczym) z wysoką efektywnością i niskimi kosztami eksploatacji dzięki bezpośredniemu zasilaniu instalacji podłogowej i uniknięciu stosowania grzałki elektrycznej w grzejnikach łazienkowych.
Podgrzewacze ładowane warstwowo. Coraz popularniejszym w ostatnich latach rozwiązaniem są podgrzewacze warstwowe czy też ładowane warstwowo. Jest to zestaw składający się z zasobnika ciepłej wody i wymiennika
ciepła oraz pompy ładującej. Ich największą zaletą jest, że dzięki zastosowaniu zewnętrznego wymiennika ciepła i pompy
ładującej, całą pojemność podgrzewacza można wypełnić wodą o zadanej temperaturze. Nie jest to z reguły możliwe w podgrzewaczach z wężownicą czy płaszczowych, w których naturalnym faktem jest występująca w dolnej części strefa wody o niższej temperaturze. Podgrzewacze ładowane warstwowo pozwalają więc lepiej wykorzystać pojemność zasobnika oraz zredukować ryzyko rozwoju drobnoustrojów w dolnej części zbiornika.
Poza tym wyposażone w odpowiedni układ sterowania mogą zapewniać dostęp do ciepłej wody już kilka chwil od włączenia źródła ciepła, pomimo że wcześniej cała pojemność podgrzewacza była wychłodzona. Dzieje się tak dlatego, że w podgrzewaczu ładowanym warstwowo woda jest podgrzewana partiami. Pompa ładująca pobiera zimną wodę z dna zasobnika i przetłacza przez wymiennik ciepła, gdzie zostaje ona podgrzana do zadanej temperatury i dalej trafia już do górnej części zasobnika. Dzięki temu w górnej części zasobnika w szybkim tempie zaczyna się pojawiać warstwa ciepłej wody i ona właśnie jest do dyspozycji użytkownika. Szybkość nagrzewania wody w górnej części podgrzewacza zależy od mocy źródła ciepła i wymiennika. Przykładowo przy źródle ciepła i wymienniku o mocy, co najmniej 20 kW w każdej minucie w górnej części podgrzewacza przybędzie około 10 l ciepłej wody. Korzystając więc z natrysku, baterii umywalkowej czy zlewozmywakowej nie jesteśmy w stanie pobrać więcej wody, więc technologia ładowania warstwowego rzeczywiście gwarantuje – można powiedzieć – „natychmiastowy komfort”. Te cechy podgrzewaczy ładowanych warstwowo sprawiły, że technologia ta bardzo szybko pozwoliła zmniejszyć gabaryty kotłów z wbudowanymi podgrzewaczami wody. Jednocześnie udało się zapewnić jeszcze wyższy komfort użytkowania. Pewnym ograniczeniem w stosowaniu podgrzewaczy ładowanych warstwowo jest jednak jakość wody użytkowej. Obecność w wodzie związków, które mogą się osadzać na powierzchni wymiennika ciepła z pewnością utrudnia eksploatację tego typu podgrzewaczy. Okresowo wymagane będzie chemiczne czyszczenie wymiennika ciepła z osadów ograniczających skuteczność wymiany ciepła i redukujących wydajność podgrzewacza.

Podgrzewacze ładowane warstwowo – coraz szersza oferta
Na rynku znajdziemy wiele przykładów rozwiązań z podgrzewaczami o małej pojemności, np. 20-50 l, które w połączeniu z wysoką mocą kotła i szerokim zakresem modulacji zapewniają jednorazowo bardzo duże ilości ciepłej wody, np. 200-250 l/10 min. Dzięki temu można zrezygnować z tradycyjnego zestawu kotła z podgrzewaczem wyposażonym w wężownicę na rzecz niewielkiego, kompaktowego kotła z wbudowanym podgrzewaczem ładowanym warstwowo. Podobnie w większych instalacjach, tu można skorzystać z podgrzewaczy ładowanych warstwowo wyposażonych w wymienniki ciepła o większej mocy, np. 60-120 kW. Dzięki temu przy zastosowaniu kotła o odpowiedniej mocy łatwo osiągnąć wysoką wydajność. Przykładowo tradycyjny podgrzewacz o pojemności około 500 l z wężownicą o powierzchni 2 m2 zapewnia około 591 l ciepłej wody na 10 minut, a analogiczny model ładowany warstwowo o tej samej pojemności, ale z wymiennikiem ciepła o mocy 120 kW i odpowiednim źródłem ciepła zapewni już prawie 1050 l/10 minut. Można więc zastosować jeden podgrzewacz zamiast dwóch, redukując w ten sposób koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne (straty ciepła).

Jak widać możliwości wyboru odpowiedniej technologii są obecnie bardzo szerokie. Ważne jest, by z zasady nie nastawiać się na stosowanie tylko jednego rozwiązania. W każdym przypadku należy sprawdzić, czy dany zbiornik c.w.u. jest odpowiednio przystosowany do współpracy z określonym źródłem ciepła, zapewnia odpowiednią wydajność i czy jest odporny na warunki, z jakimi możemy mieć do czynienia w danej instalacji.

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 6/2016 2/2016 11/2015