Bufory ciepła są ważnym elementem instalacji zasilających wymiennikowe stacje mieszkaniowe. Ich dobór, sposób połączenia z instalacją są uzależnione od funkcji, jakie mają pełnić w określonych warunkach pracy.

Podstawową funkcją zasobników buforowych jest gromadzenie czynnika roboczego (grzewczego) oraz stworzenie możliwości dostarczania go przy chwilowym poborze większym niż wydajność źródła ciepła. Taka sytuacja może wystąpić w okresie szczytu porannego lub wieczornego, związanego z poborem c.w.u. Jednocześnie bufory stabilizują pracę źródła ciepła, sprawiając, że przebiega ona jednostajnie przy najwyższej sprawności. Zapobiegają jego częstemu włączaniu i wyłączaniu przy każdym poborze c.w.u. (szczególnie dotyczy to sezonu letniego), a więc obniżeniu sprawności i przyspieszonemu zużyciu źródła ciepła, pomp oraz armatury regulacyjnej. Dodatkowo, dzięki ustabilizowaniu pracy źródła ciepła, poprawiają jakość regulacji temperatury czynnika grzewczego. Elementy systemów regulacji temperatury w ogrzewnictwie charakteryzują się bowiem sporą bezwładnością, co powoduje wahania temperatury w okresach niestabilnej pracy źródła ciepła lub zmiennego poboru czynnika grzewczego. Bufory mają także zastosowanie przy kojarzeniu różnych źródeł ciepła, charakteryzujących się inną wydajnością, dynamiką, zakresem temperatury, czasem pracy. Mogą też stanowić doskonałą separację obiegów hydraulicznych o odmiennej specyfice działania i wreszcie – pełnić funkcję odmulaczy oraz centralnych systemów odpowietrzających.

Budowa i parametry buforów

Bufory ciepła są to zazwyczaj cylindryczne, nisko parametryczne zbiorniki z blachy stalowej niestopowej o grubości 3-4 mm (cienkościenna powłoka spawana): S235JR według EN 10025 lub St37-2 według DIN 4553. Ze względu na warunki techniczne dotyczące temperatury czynnika roboczego w instalacjach grzewczych maksymalna temperatura ich pracy może wynosić 90°C. Maksymalną temperaturę czynnika określa Dziennik Ustaw Nr 75, poz. 690 z 2002 r, par. 135, pkt 5: W pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi zabrania się stosowania ogrzewania parowego oraz wodnych instalacji ogrzewczych o temperaturze czynnika grzejnego przekraczającego 90°C. Przepisy prawa budowlanego nie określają bezpośrednio ciśnienia pracy buforów, ale wynosi ono zazwyczaj nie mniej jak 3 bary i nie więcej jak 6 bar. Zasobniki buforowe produkuje się w różnych pojemnościach: od 300 do 5000 dm³ (tabela 1). Można je łączyć w baterie. Z zewnątrz najczęściej są zabezpieczone przed korozją, mają też izolację cieplną, zazwyczaj o grubości 100 mm, z folią i pokryciem zewnętrznym. Wymiary mniejszych zasobników są zoptymalizowane pod względem możliwości wprowadzenia do pomieszczeń komunikacją ogólną, bez konieczności wykonywania specjalnych otworów technologicznych. Zasobniki mogą mieć liczne przyłącza do podłączenia źródeł ciepła oraz instalacji rozprowadzającej. Średnica króćców przyłączeniowych (dopasowana do pojemności buforów) i ich liczba pozwalają na swobodne podłączenie źródeł ciepła i odbiorników nawet o dużej mocy grzewczej.

Zasobnik z wymiennikiem

Gdy w instalacji wykorzystuje się wspomagające źródło ciepła oraz wymagana jest separacja czynników ciepła, można zastosować zasobnik buforowy z wewnętrznym wymiennikiem ciepła typu wężownica. Rozwiązanie to jest jednak sporadyczne. Separacja wspomagającego źródła ciepła ma sens, gdy jego nośnik ciepła ma odmienne właściwości lub inne parametry pracy, np. gdy jest to ciepło odpadowe, a nośnikiem jest np. para nisko parametryczna, olej chłodzący z procesu technologicznego. Stosowanie buforów z wewnętrznym wymiennikiem ciepła może mieć też miejsce, gdy temperatura nośnika ciepła źródła wspomagającego jest odpowiednio wyższa od temperatury czynnika roboczego zasilającego stacje wymiennikowe. Konieczne są wówczas odpowiednie zabezpieczenia przed perforacją wymiennika, przekroczeniem maksymalnego ciśnienia i temperatury w buforze ciepła.

Tabela 1. Podstawowe wymiary zewnętrzne buforów PUB i PUB-S

Kryteria doboru buforów ciepła

Przedstawione na wstępie powody stosowania buforów ciepła determinują metodę ich doboru. Aby bufor mógł pełnić planowane funkcje, musi być zabudowany we właściwym miejscu, a jego pojemność musi być większa od minimalnej, określanej na podstawie zróżnicowanych kryteriów. Jeśli chodzi o lokalizację bufora w schemacie technologicznym instalacji zasilającej stacje wymiennikowe, to oczywiście musi być on umiejscowiony między źródłem ciepła a instalacją ze stacjami wymiennikowymi. Dużo trudniejsze jest określenie jego pojemności. Jeśli prześledzić literaturę techniczną oraz normy lub normatywy, istnieje w tym zakresie wiele kryteriów. Są metody oparte na szczegółowej analizie pracy instalacji oraz metody uproszczone, tylko do oszacowania pojemności bufora. W instalacjach z pompami ciepła pojemność bufora może być np. określana według kryterium mocy pomp ciepła. Dla każdego kilowata mocy grzewczej jednoobiegowej pompy ciepła należy zapewnić np. 15 lub 20 dm³ wody w buforze.

Minimalny czas włączenia źródła ciepła

Najczęściej pojemność buforów jest określana na postawie minimalnego czasu włączenia źródła ciepła, przy założeniu okresów postoju oraz uwzględnieniu specyfiki rozbioru c.w.u. W okresie uruchamiania źródła ciepła energia do zasilania stacji musi pochodzić z bufora ciepła. Jest to bardzo uproszczone kryterium, jednak często stosowane przez projektantów i zalecane przez producentów stacji wymiennikowych. Można go nazwać kryterium letnim, ponieważ zimą, gdy mamy stały pobór ciepła na cele grzewcze, źródło ciepła w zasadzie nie powinno być wyłączane. Gdy wyliczona według tego kryterium pojemność jest mniejsza od pojemności instalacji ogrzewczej, można zrezygnować z bufora ciepła.

Metoda energetyczna

To również metoda uproszczona. Zasadniczo odnosi się tylko do instalacji c.w.u. i zakłada płynną pracę źródła ciepła bez przerw technologicznych oraz stabilny pobór ciepła na cele grzewcze. W metodzie tej przyjmuje się, że w buforze ciepła musi być zgromadzona energia do przygotowania c.w.u. w godzinie maksymalnego rozbioru, pomniejszona o ilość czynnika grzewczego wytworzonego w sposób dynamiczny. Dynamiczne przygotowanie czynnika grzewczego oznacza, że w trakcie godziny maksymalnego rozbioru źródło ciepła pracuje także na cele przygotowania c.w.u. Pojemność bufora ciepła jest w tym przypadku szacowana ze znacznym zapasem, ponieważ nie uwzględnia się pojemności cieplnej instalacji po stronie zasilania (czyli pojemności cieplnej wody w instalacji po stronie zasilania oraz pojemności cieplnej masy rur). W przypadku rozległych instalacji i ograniczonych możliwości zabudowy bufora ciepła, można zastosować metodę energetyczną skorygowaną, która uwzględnia pojemność instalacji.

Przy rozległych instalacjach, stosunkowo małym rozbiorze wody w godzinie maksymalnego rozbioru i relatywnie dużej mocy źródła ciepła, pojemność bufora liczona metodą energetyczną może okazać się wartością ujemną, co oznacza że nie ma potrzeby go stosować. Warto wtedy rozeznać inne kryteria i metody obliczeniowe oraz plusy i minusy stosowania buforów. Metoda energetyczna opiera się bowiem o arbitralnie przyjęte kryterium.

Pojedynczo czy w baterii

Jak stanowią przepisy:
Bufor ciepła ma za zadanie zapewnić możliwość dostarczenia czynnika grzewczego, przy chwilowym poborze większym niż wydajność źródła ciepła.
Należy nadmienić, iż występują tu zazwyczaj dwa obiegi: pierwotny i wtórny. Obieg pierwotny obejmuje źródło ciepła oraz pompę obiegową bufora ciepła wraz z instalacją je łączącą. Charakteryzuje się zazwyczaj stałą wydajnością w zakresie przepływu i mocy grzewczej. Obieg wtórny obejmuje natomiast bufor ciepła, pompę obiegową, mieszkaniowe stacje wymiennikowe oraz instalację je łączącą. Pracuje przy zmiennym przepływie mocy grzewczej i oporze hydraulicznym. Szybkość i dynamika zmian jest duża i adekwatna do zmiennego poboru c.w.u.. Dzięki zastosowaniu bufora ciepła możliwe jest połączenie tych obiegów, łącznie z separacją lub wysprzęgleniem. Aby jednak bufor lub zespół buforów mógł realizować te zadania, należy zachować podstawowe zasady jego połączenia z instalacją.

Autor: Grzegorz Ojczyk

O zachowaniu rozsądku w cenie, stratyfikacji temperatury wody, spójności, symetrii i przepływie wody, o wpływie ruchu poduszki gorącej wody na zakłócenia pracy oraz sposobach połączeń i pojemności roboczej można przeczytać w dalszej części artykułu w piątym numerze Polskiego Instalatora PI 5/2015.