Bufory ciepła wykorzystywane są w różnych sytuacjach i układach, głównie wtedy, gdy konieczne jest krótkotrwałe (do kilkunastu godzin) zmagazynowanie ciepła. Na rynku dostępnych jest wiele typów tych urządzeń o odmiennej konstrukcji – w zależności od ich przeznaczenia i powierzonych im zadań. W artykule postaram się wskazać konkretne sytuacje, w których zalecane jest zastosowanie bufora ciepła, oraz zasadnicze kryteria doboru jego pojemności i typu.

Zacznijmy od najprostszej sytuacji, w której mamy tradycyjną instalację z kotłem stałopalnym – sięgnę przy tym do własnych doświadczeń. Pierwszy kocioł węglowy w moim domu podłączyłem do instalacji grzewczej bezpośrednio, bez użycia bufora. Często skutkowało to przegrzewaniem instalacji. Niedopilnowany przez jakiś czas kocioł potrafił osiągnąć temperaturę rzędu 80-95°C i taka temperatura była przekazywana na grzejniki. Po jakimś czasie temperatura w pomieszczeniach sięgała 25°C i jedyną ochroną przed dalszym jej wzrostem (oraz sposobem na schłodzenie kotła) było otwieranie okien, a ponieważ rozpalony kocioł węglowy ma swoją bezwładność, okna musiały być otwarte przez 1-2 godziny zanim sytuacja wróciła do normy.

Kilka lat później przyszedł czas na zamontowanie kolejnego kotła węglowego i wtedy już wiedziałem, że w mojej instalacji ogrzewczej potrzebny jest bufor, a za buforem zawór mieszający obniżający temperaturę na obiegu grzewczym. Jednak, jak wspomniałem, bufory ciepła wykorzystywane są także w innych sytuacjach i układach.

Kiedy stosować bufor ciepła?
Od małych i prostych układów z jednym źródłem ciepła (tradycyjnym bądź odnawialnym) po rozbudowane instalacje budynkowe zasilane z różnych źródeł – wszędzie tam bufor ciepła może pełnić istotną funkcję. O jego wyborze zazwyczaj przesądzają poniższe okoliczności.

Czas dostępności źródła energii – brak synchronizacji z zapotrzebowaniem. Chodzi o sytuacje, kiedy do ogrzewania wykorzystywane są źródła energii, na które nie mamy wpływu, jeśli chodzi o czas ich dostępności oraz ilość dostarczanej energii, czyli np. energia słoneczna czy energia odpadowa. Moment dostarczania energii przez źródło może nie pokrywać się z czasem zapotrzebowania na energię cieplną i trzeba ją zmagazynować na później.

Wydłużenie czasu pracy źródła ciepła. Charakter pracy niektórych źródeł ciepła jest taki, że jeśli są uruchomione, to muszą już działać przez jakiś czas. Tak jest np. z pompami ciepła, które nie powinny mieć zbyt wielu startów sprężarki, ponieważ podczas startu urządzenie zużywa się szybciej. Maksymalna dopuszczalna liczba startów pompy jednostopniowej wynosi około trzy starty na 1 godzinę, a dla inwerterowych pomp ciepła – jeszcze mniej. Podobnie jest w przypadku agregatów kogeneracyjnych: na każdy start urządzenia powinno przypadać przynajmniej 6 godzin pracy urządzenia. Kotły węglowe cechują się natomiast dużą bezwładnością działania. Bufor ciepła pozwala w takich przypadkach wydłużyć czas pracy źródła ciepła i zmagazynować nadwyżki energii.

Bilansowanie nadwyżek i niedoborów energii. Bufory ciepła, jak wspomniałem, pozwalają na zmagazynowanie nadwyżek energii, kiedy nie jest ona potrzebna, oraz jej wykorzystanie w dogodnym momencie. Dobrym przykładem są tutaj tradycyjne kotły stałopalne, które rozpala się po to, by pracowały kilka lub kilkanaście godzin. Przez ten czas, jeśli na dworze nie panuje minimalna temperatura, kocioł będzie dostarczać więcej energii cieplnej niż potrzebują obiegi grzewcze. Bufor ciepła pozwoli na zmagazynowanie tych nadwyżek i wykorzystanie ich wówczas, gdy kocioł będzie przygasał.

Zbyt wysoka temperatura źródła ciepła w stosunku do potrzeb. To przypadek, kiedy np. kocioł węglowy podłączymy do instalacji grzewczej budynku za pośrednictwem bufora.
Jak wiemy, kotły węglowe powinny być eksploatowane tak, by temperatura na powrocie nie spadała poniżej punktu rosy, czyli około 65°C. A więc temperatura na kotle powinna utrzymywać się na poziomie 80-85°C. Wtedy spalanie jest najczystsze i w kotle oraz kominie nie osadza się smoła.
Z drugiej strony zapotrzebowanie na energię obiegów grzewczych zależy przede wszystkim od temperatury zewnętrznej: im jest zimniej na dworze, tym więcej energii potrzeba. Dodatkowo, przy większej różnicy temperatur przekazywane jest więcej ciepła między źródłem ciepła a odbiornikiem. Im wyższą temperaturę ma powierzchnia grzejnika w stosunku do temperatury w pomieszczeniu, tym więcej ciepła może on przekazać. W związku z powyższym, przez większość czasu swojej pracy, około 80%, tradycyjne obiegi grzewcze wymagają zasilania czynnikiem grzewczym o temperaturze w zakresie 40-60°C, natomiast zasilanie czynnikiem o temperaturze w zakresie 60-80°C to tylko pozostałe około 20% czasu pracy obiegów grzewczych. Dlatego też obieg grzewczy przedstawiony na rys. 2 został wyposażony w zawór mieszający, który obniża temperaturę zasilania stosownie do potrzeb. Dzięki buforowi ciepła kocioł może pracować przy zachowaniu optymalnej temperatury, nie przegrzewając obiegów grzewczych.

Ochrona przed Legionellą w układach podgrzewu c.w.u. Podczas konwentu Legionu Amerykańskiego, zorganizowanego w 1976 roku w Filadelfii, doszło do tajemniczych zachorowań objawiających się nietypowymi zapaleniami płuc u niektórych uczestników owego feralnego spotkania Po zbadaniu sprawy okazało się, że środowisko wodne o temperaturze około 40°C, m.in. w podgrzewaczach ciepłej wody użytkowej, jest idealnym miejscem do rozwoju bakterii Legionella pneumophila. Od tego czasu zaczęto stosować regularne podgrzewanie wody w pojemnościowych podgrzewaczach i zasobnikach c.w.u. – do temperatury powyżej 65°C, tak by zabić szkodliwe drobnoustroje poprzez tzw. dezynfekcję termiczną. Dezynfekcja termiczna pochłania jednak duże ilości energii.
Innym rozwiązaniem pozwalającym na zminimalizowanie rozwoju niebezpiecznych bakterii, a przy okazji nie wymagającym energochłonnego podgrzewania dużych mas wody do wysokiej temperatury, jest zastosowanie wymienników ciepła do bieżącego przygotowywania ciepłej wody użytkowej, bez długiego przechowywania wody w zbiorniku. W takim przypadku źródłem ciepła dla wymienników ciepła jest zazwyczaj kocioł. Często jednak podczas poborów szczytowych moce przekazywane do c.w.u. osiągają wartości rzędu 400-600 kW przez 10-20 min przy dostępnej mocy kotłowni na poziomie 100-200 kW. Brakującą ilość ciepła, która wynika z dysproporcji mocy, można zmagazynować właśnie w buforach ciepła.

Wielkość bufora i średnica króćców
Jest kilka metod obliczenia minimalnej pojemności bufora, przy czym wskażę tutaj tylko te najprostsze:

• jedna z nich, chętnie stosowana w przypadku kotłów węglowych, zaleca, aby na każdy 1 kW mocy źródła ciepła, które będzie podłączone do bufora, przypadało 25 l pojemności bufora;
• inna reguła, wykorzystywana przy pompach ciepła, mówi, że pojemność bufora powinna wynosić 10% nominalnego, godzinowego przepływu wody grzewczej podanego w instrukcji urządzenia;
• z kolei w przypadku urządzeń kogeneracyjnych, wielkość bufora można ustalać np. jako 1-godzinny przepływ dla ΔT = 20 K.

Dobierając bufor do danego układu hydraulicznego, należy uwzględnić również prędkość przepływu czynnika na króćcach bufora. Zbyt duża prędkość przepływu powoduje bowiem, że króciec zachowuje się jak dysza wstrzykująca wodę do zbiornika. Ogólne zasady są tutaj następujące:

• jeżeli prędkość przepływu czynnika w danym króćcu bufora nie przekracza 1,5 m/s, wtedy nie powinno być jeszcze problemu z zaburzaniem uwarstwienia w zbiorniku;
• przy prędkości przepływu powyżej 2 m/s pojawią się natomiast hałasy związane z przepływem.

Jeżeli bufor dysponuje większą liczbą króćców i część z nich byłaby niewykorzystana, wtedy każdą doprowadzoną rurę możemy podłączyć do dwóch króćców, aby obniżyć prędkość przepływu.

Sposób włączenia bufora w instalację
Najbardziej popularnym sposobem włączenia bufora ciepła w instalację jest podłączenie równoległe (pokazane na rys. 2 i 3). Innym sposobem połączenia bufora ze źródłem ciepła i obiegiem grzewczym jest połączenie szeregowe (rys. 4), stosowane niekiedy w przypadku pomp ciepła. Istotną zaletą połączenia szeregowego jest to, że z pewnością nie wystąpi przy nim efekt mieszania się wody ciepłej z zimną w buforze ciepła na skutek zbyt dużej prędkości przepływu na króćcach.

Przyjrzyjmy się teraz rozwiązaniom konstrukcyjnym buforów ciepła oraz funkcjonowaniu tych urządzeń w instalacjach.

Jedno źródło ciepła i jeden odbiornik ciepła
Najprostszym typem bufora jest urządzenie zaprezentowane na rys. 5: z parą króćców w górnej części bufora (oznaczone kolorem czerwonym) oraz parą króćców w jego dolnej części (oznaczone kolorem niebieskim). Miejsca oznaczone kolorem zielonym są przeznaczone do umieszczenia czujników temperatury.

W najprostszych przypadkach nie są montowane żadne czujniki, ponieważ automatyka źródła ciepła (o ile automatyka taka występuje, np. w kotle węglowym) nie potrafi ich obsłużyć. Przy większym przepływie w obiegu kotłowym niż grzewczym nie ma problemu. Taka sama temperatura jak na kotle trafi na obieg grzewczy. Jeżeli zaś automatyka źródła ciepła, np. kotła gazowego, węzła cieplnego lub pompy ciepła, umożliwia pomiar temperatury w buforze, wtedy wykorzystywane jest środkowe miejsce do pomiaru temperatury.

Bardziej zaawansowane układy automatyki przystosowane są do pomiaru temperatury w dwóch (góra, dół) lub nawet trzech miejscach (góra, środek, dół). Umieszczone tam czujniki temperatury działają następująco:

• czujnik w górnej części bufora, tzw. czujnik START, odpowiedzialny jest za włączenie źródła ciepła lub pompy obiegowej dostarczającej ciepło – dzieje się tak, gdy temperatura w górnej części podgrzewacza spadnie poniżej określonej wartości, co oznacza, że bufor został rozładowany;
• czujnik w dolnej części bufora, tzw. czujnik STOP, odpowiedzialny jest za wyłączenie źródła ciepła lub pompy obiegowej dostarczającej ciepło – dzieje się tak, gdy temperatura w dolnej części podgrzewacza wzrośnie powyżej określonej wartości, co oznacza, że bufor został naładowany.

Wysokością położenia czujników START i STOP możemy przyspieszać lub opóźniać działanie automatyki.

Kilka źródeł ciepła i/lub kilka odbiorników ciepła
Kiedy do bufora musimy podłączyć kilka źródeł ciepła, zwłaszcza takich o różnych temperaturach, ewentualnie w układzie jest jedno źródło ciepła, ale mamy kilka odbiorników ciepła o różnych wymaganych temperaturach zasilania, wtedy potrzebny jest bufor z dodatkowymi króćcami w środkowej części zbiornika (oprócz króćców na dole i na górze). Schemat podłączeń jest wówczas następujący:

• w przypadku kilku źródeł ciepła, np. pompy ciepła podającej czynnik grzewczy o temperaturze do 60°C oraz kotła z temperaturą czynnika grzewczego na poziomie 80°C, powroty pompy ciepła i obiegów grzewczych niskotemperaturowych (np. ogrzewanie podłogowe) należy podłączyć do króćców w dolnej części bufora, a zasilanie – do króćców w jego środkowej części;
• zasilanie kotła i obiegów grzewczych wymagających wyższych wartości temperatury (np. podgrzew c.w.u.) należy podłączyć do króćców w górnej części bufora, a powroty – odpowiednio do króćców w środkowej części bufora;
• w przypadków obiegów grzewczych z dużą wartością ΔT, jak np. stacje świeżej wody, w których ΔT osiąga 50 K, zasilanie podłączamy do króćców górnych bufora, a powrót – do dolnych.

To, że mamy dużo miejsc do pomiaru temperatury na kilku wysokościach bufora z pewnością się przydaje, ponieważ różne źródła ciepła mogą być odpowiedzialne za różne obiegi grzewcze. Kiedy np. będzie potrzebne ciepło dla obiegu c.w.u. podłączonego do górnej części bufora, wtedy odpowiednie źródło ciepła zacznie ładować bufor do wymaganej temperatury na podstawie wskazań czujnika umieszczonego właśnie w tej części. Ponadto za pomocą bufora z dodatkowymi króćcami w środkowej części możliwe jest połączenie hydrauliczne w całość kilku źródeł ciepła i obiegów grzewczych, które „nie widzą” siebie po stronie automatyki, ponieważ np. ich automatyki nie są ze sobą kompatybilne.

Zbyt duża prędkość przepływu na króćcach
Kiedy jedno ze źródeł ciepła charakteryzuje się większym przepływem niż inne, warto rozważyć zastosowanie bufora z tzw. płytą stratyfikacyjną. Mowa jest np. o układach z pompą ciepła. Pompy ciepła pracujące z różnicą wartości temperatury ΔT = 5 K mają 4-krotnie większy przepływ w stosunku do źródeł ciepła czy obiegów grzewczych pracujących z ΔT = 20 K. Większy przepływ oznacza większą prędkość przepływu, co może powodować zaburzenie uwarstwienia w buforze i wymieszanie się wody zimnej z ciepłą. Króciec, którym wlatuje woda z dużą szybkością, działa bowiem jak dysza. Dzięki płycie stratyfikacyjnej (oznaczonej na rys. 7 błękitnym kolorem) strumień wody nie będzie wycelowany bezpośrednio w środek bufora, ale rozpłynie się łagodnie po jego ściankach.

Innym sposobem, aby zapobiec mieszaniu się zawartości bufora jest rozprowadzanie wody wzdłuż ścianki bufora – jak pokazuje to rys. 8. Odpowiednie zakończenie króćców wywołuje wówczas ruch wirowy wody.

Podłączenie źródła ciepła pracującego w odseparowanym układzie
Kiedy do bufora chcemy podłączyć odpadowe źródło ciepła lub np. kolektory słoneczne, które wykorzystują inne medium do przenoszenia ciepła, np. glikol, niż zawartość bufora, którą jest woda, wtedy możemy wykorzystać bufor z wężownicą (oznaczoną na rys. 9 żółtym kolorem). Do wężownicy podłączymy odseparowane źródło ciepła.

Musimy jednak pamiętać o odpowiedniej powierzchni wężownicy w stosunku do podłączonej mocy źródła ciepła. W praktyce wielkość wężownicy można np. dobrać według następujących zaleceń:

• dla kolektorów słonecznych – 0,2 m2 powierzchni wężownicy na każdy 1 m2 powierzchni absorbera;
• dla pompy ciepła do c.w.u. – od 0,2 do 0,3 m2 powierzchni wężownicy na każdy 1 kW przenoszonej mocy.

Należy dodać, że nadwyżka temperatury źródła ciepła powinna wynosić przynajmniej 10 K nad ogrzewanym medium.

Bufor z wężownicą solarną i termosyfonem. Spotyka się też konstrukcje, gdzie bufor wyposażony w wężownicę solarną dodatkowo ma tzw. termosyfon (rys. 10). Jest to pionowa rura z otworami, uzupełnionymi ewentualnie lekkimi, uchylnymi przesłonami w formie listków. Działanie bufora z termosyfonem jest następujące:

• podgrzana przez wężownicę solarną woda ma mniejszy ciężar właściwy niż woda w dolnej części bufora, w rurze termosyfonu powstaje więc siła wyporu, która powoduje przesuwanie się podgrzanej wody w górę;
• woda przemieszcza się do górnej części bufora tak długo aż nie natrafi na wodę cieplejszą o jeszcze niższym ciężarze właściwym – wtedy woda z termosyfonu wypływa otworami w rurze do bufora.

Dzięki opisanym zjawiskom woda podgrzana przez wężownicę trafia do strefy bufora o zbliżonej do niej temperaturze.

Termosyfony świetnie sprawdzają się w solarnych podgrzewaczach c.w.u. – przy wykorzystaniu np. 1 kWh energii słonecznej możemy w nich podgrzać około 17 l wody od temperatury 10 do 60°C. W przypadku braku termosyfonu, ta sama 1 kWh energii słonecznej pozwala od razu podgrzać 290 l wody, ale od temperatury 10 do 13°C. Oczywiste jest – biorąc pod uwagę wykorzystanie tej samej ilości energii – że ta mała ilość c.w.u. podgrzana do wyższej temperatury jest bardziej użyteczna.Bufor może być również wyposażony w kilka wężownic, a tylko jedna z nich może służyć do podgrzewu c.w.u. w przepływie. Zazwyczaj takie wężownice do c.w.u. wykonane są w formie karbowanej rury ze stali szlachetnej. Rura karbowana zapewnia większą powierzchnię wymiany ciepła oraz lepszą wymianę ciepła na skutek przepływu turbulentnego.

Zabezpieczenie przegrodą przed mieszanem się stref
Dodatkowym zabezpieczeniem w buforze ciepła przed mieszaniem się stref o różnej temperaturze są poziome płyty strefowe z otworami. Rozwiązanie takie zalecane jest w przypadku, kiedy na większości króćców możemy spodziewać się dużej prędkości przepływu.

Przykład takich buforów ilustruje rys. 12. Przedstawione na nim bufory są przeznaczone do współpracy z pompami ciepła i dlatego zostały dodatkowo wyposażone w tzw. rury dyfuzyjne – z wieloma otworami, zlokalizowane w górnej części zbiorników (oznaczone kolorem ciemnożółtym). Dzięki temu unika się zaburzania uwarstwienia w buforze na skutek zredukowanej prędkości wypływu.

Bufory kombinowane
Takie bufory mają wbudowany zbiornik do podgrzewu c.w.u., przy czym:

ciepła woda użytkowa może być podgrzewana wodą znajdującą się w górnej części bufora – poprzez ściankę zbiornika do podgrzewu c.w.u. (rys. 13);

dodatkowo podgrzew c.w.u. może być wspomagany wbudowaną w zbiornik c.w.u. wężownicą (rys. 14).

Czasem potrzebny jest kompromis…
Jak widać, na rynku dostępnych jest bardzo dużo różnych typów buforów, od prostych konstrukcji do bardziej skomplikowanych, i oczywiście nie wszystkie udało się tutaj przedstawić. W każdym razie – przy tak szerokim wachlarzu możliwości – bez większych problemów można dobrać urządzenie. Ograniczeniem w zastosowaniu najbardziej odpowiedniego pod względem technicznym bufora bywa jednak jego wysoka cena lub zbyt mało miejsca w kotłowni. W przypadku mojego domu ograniczeniem było miejsce w kotłowni. Zamiast dedykowanego dla mocy kotła bufora o pojemności 500 l zmieściłem bufor o pojemności tylko 300 l, ale w końcu lepszy mniejszy bufor niż żaden.

Na koniec mała zagadka dla dociekliwych: czy na podstawie pojemności dedykowanego do mojego kotła bufora (500 l) i powyższego tekstu jesteście w stanie powiedzieć, jaką mocą dysponuje mój kocioł węglowy?