Бак для хранения горячей воды (также называемый баком для горячей воды , тепловым аккумулятором , тепловым аккумулятором горячей воды , резервуаром для хранения тепла , водонагревателем и гейзером ) — это резервуар для воды, используемый для хранения горячей воды для отопления помещений или бытовых нужд.
Вода является удобным средством хранения тепла, поскольку имеет высокую удельную теплоемкость . Это означает, что по сравнению с другими веществами она может хранить больше тепла на единицу веса. Вода нетоксична и дешева.
Эффективно изолированный бак может сохранять накопленное тепло в течение нескольких дней, что снижает расходы на топливо. [1] Баки для горячей воды могут иметь встроенную систему газовых или масляных горелок, электрические погружные нагреватели . Некоторые типы используют внешний теплообменник, такой как система центрального отопления , или нагретую воду из другого источника энергии. Наиболее типичными в бытовом контексте являются горелка на ископаемом топливе, электрические погружные элементы или схема централизованного теплоснабжения . [2]
Водонагреватели для стирки, купания или стирки оснащены термостатами для регулирования температуры в диапазоне от 40 до 60 °C (от 104 до 140 °F) и подключаются к бытовому водопроводу холодной воды.
Если местное водоснабжение имеет высокое содержание растворенных минералов, таких как известняк , нагревание воды приводит к осаждению минералов в баке (образованию накипи). Бак может начать протекать из-за коррозии всего через несколько лет, проблема усугубляется растворенным кислородом в воде, который ускоряет коррозию как бака, так и фитингов.
Обычно резервуары для хранения горячей воды обернуты теплоизоляцией для снижения потребления энергии, ускорения процесса нагрева и поддержания желаемой рабочей температуры. Более толстая теплоизоляция снижает потери тепла в режиме ожидания . Водонагреватели доступны с различными характеристиками изоляции, но можно добавить слои дополнительной изоляции на внешнюю часть водонагревателя для снижения потерь тепла. В экстремальных условиях сам нагреватель может быть полностью заключен в специально сконструированное изолированное пространство.
Наиболее распространенным типом изоляции водонагревателя является стекловолокно , закрепленное на месте с помощью ленты или ремней или внешней оболочки водонагревателя. Изоляция не должна блокировать поток воздуха или выход продуктов сгорания, где используется горелка.
Другим распространенным изоляционным материалом, используемым для резервуаров для хранения воды, является изоляция из пенополиуретана (ППУ). [ требуется ссылка ] Если доступ к внутреннему резервуару является приоритетным (в случаях особо агрессивных минералов или высокого уровня кислорода в местной системе водоснабжения), ППУ может применяться в инкапсулированной форме, что позволяет снимать изоляционный слой для регулярных проверок целостности и, при необходимости, ремонта резервуара для воды.
Совсем недавно разумные системы хранения были коммерциализированы с использованием инновационной поддерживаемой вакуумной изоляции. Эта технология теперь позволяет хранить тепловую энергию в небольших и средних системах в течение недель без каких-либо существенных потерь тепла. Там, где это возможно, она имеет потенциал использовать доступное разумное тепловое хранилище для среднесрочного хранения энергии.
В системе солнечного нагрева воды солнечный водонагревательный бак хранит тепло от солнечных тепловых коллекторов . [3] Бак имеет встроенный теплообменник для нагрева бытовой холодной воды. В относительно мягком климате, таком как средиземноморский, (сильно изолированные, но обернутые металлом) баки для хранения часто монтируются на крыше. Все такие баки имеют те же проблемы, что и искусственно подогреваемые баки, включая отложения известняка и коррозию, и страдают от аналогичного снижения общей эффективности, если не обслуживать их должным образом.
Баки водонагревателей могут быть изготовлены из углеродистой стали , покрытой эмалью , нержавеющей стали или меди .
В то время как медные и нержавеющие стальные баки для горячей воды для бытовых нужд более распространены в Европе, баки из углеродистой стали более распространены в Соединенных Штатах, где, как правило, пренебрегают периодической проверкой, в баке образуется течь, после чего весь прибор заменяют. [4] Даже при пренебрежении баки из углеродистой стали, как правило, служат на несколько лет дольше гарантии производителя, которая в США обычно составляет от 3 до 12 лет. [ необходима цитата ]
Стекловидные резервуары имеют гораздо более низкую начальную стоимость и часто включают один или несколько жертвенных анодных стержней, предназначенных для защиты резервуара от перфорации, вызванной коррозией [5], что необходимо, поскольку хлорированная вода очень едкая по отношению к углеродистой стали. Поскольку практически невозможно нанести какое-либо защитное покрытие идеально (без микроскопических трещин или дефектов в виде точечных отверстий в защитном слое) [6], производители могут рекомендовать периодическую проверку любого жертвенного анода, заменяя его при необходимости.
Некоторые производители предлагают расширенный гарантийный комплект, включающий сменный анодный стержень. Поскольку обычные резервуары для хранения горячей воды могут протечь каждые 5–15 лет, высококачественные установки будут включать, и большинство строительных/сантехнических норм США теперь требуют, неглубокий металлический или пластиковый поддон для сбора протечки, когда она происходит.
При этом методе тепло сохраняется в резервуаре с помощью внешних теплообменников (змеевиков), которые можно использовать напрямую или для питания других (внешних) теплообменников.
Главное преимущество заключается в том, что, избегая непосредственного забора горячей воды для бытового потребления, бак не пополняется постоянно холодной водой, что в регионах с «жесткой» водой снижает отложение известкового налета до того объема, который растворен в исходной заправке воды, плюс относительно незначительные количества, добавляемые для компенсации потерь из-за просачивания.
Дополнительным преимуществом является снижение уровня кислорода в такой замкнутой системе, что позволяет несколько снизить требования к материалам, используемым в резервуаре для хранения горячей воды и замкнутых водяных контурах, внешних теплообменниках и связанных с ними трубопроводах.
Хотя внешняя система теплообменника, используемая для горячего водоснабжения, будет иметь минеральные отложения, средства для удаления накипи продлевают срок службы такой системы.
Другой метод хранения тепла в баке для хранения горячей воды имеет много названий: стратифицированный бак для хранения горячей воды с замкнутым водяным контуром , стратифицированное тепловое хранилище , термоклинный бак и бак со стратифицированной водой, но во всех случаях существенное отличие заключается в том, что прилагаются усилия для поддержания вертикальной стратификации водяного столба, другими словами, для поддержания горячей воды в верхней части бака, в то время как вода в нижней части имеет заметно более низкую температуру.
Это желательно в местах с широким климатическим диапазоном, где летнее охлаждение так же важно, как и отопление зимой, и подразумевает одну или несколько из следующих мер:
Когда стратифицированный бак для хранения горячей воды имеет замкнутые водяные контуры, температура воды может достигать 90–95 °C в верхней части и 20–40 °C в нижней части. Спокойная, невозмутимая вода является относительно плохим проводником тепла по сравнению со стеклом , кирпичом и почвой .
(На примере спокойного озера, где поверхностная вода может быть достаточно теплой для купания, но более глубокие слои настолько холодны, что представляют опасность для пловцов, — тот же эффект, который приводит к появлению объявлений в лондонских доках с предупреждением «Опасно, холодная глубокая вода»).
Соответственно, произвольный объем горячей воды может храниться, пока сохраняется стратификация. В этом случае не должно быть вертикальных металлических пластин или труб, поскольку они будут проводить тепло через слои воды, сводя на нет цель стратификации. При эффективном использовании эта технология может поддерживать температуру воды до 95 °C (т.е. чуть ниже точки кипения), что обеспечивает более высокую плотность энергии , и эта энергия может храниться долгое время, при условии, что горячая вода остается неразбавленной.
В зависимости от назначения установок, водообменники, расположенные на разных уровнях, позволяют выбирать температуру воды, соответствующую требуемому использованию. [8]
Во многих системах солнечного отопления энергетические параметры можно считывать как функцию времени, начиная с времени «выдержки», необходимого для преобразования дневного света в тепло, и заканчивая максимальной температурой горячей воды вблизи верхней части бака. [1]
Когда поток начинается с самого верхнего выхода, холодная вода поступает в бак снизу. Это падение температуры заставляет термостат включить электрический нагревательный элемент внизу бака. Когда вода из верхней части бака отбирается, горячая вода сверху вытесняется относительно более холодной водой, верхний термостат включает верхний элемент. Когда поток прекращается, элементы остаются включенными до тех пор, пока их настройки не будут выполнены. [9]
Хотя для экономии энергии принято устанавливать верхние и нижние термостаты по-разному, тот факт, что горячая вода поднимается, означает, что термостат, управляющий верхним элементом, должен подавать самую горячую воду, а нижний элемент — самую теплую.
Если термостаты в такой системе перепутаны (теплая вода подается сверху, горячая — из центра), это может не только повлиять на энергоэффективность системы, но и подача кипятка в выпускное отверстие для горячей воды может быть опасной, а если направить его на стиральные машины с горячей водой, то это может привести к их необратимому повреждению.
Горячая вода может вызвать болезненные, опасные ожоги , особенно у детей и пожилых людей. Вода на выходе не должна превышать 49 градусов по Цельсию. Некоторые юрисдикции устанавливают предел в 49 градусов по заданной температуре бака. С другой стороны, вода, хранящаяся при температуре ниже 60 градусов по Цельсию, может допустить рост бактерий, таких как те, которые вызывают болезнь легионеров , что представляет особую опасность для людей с ослабленной иммунной системой. Одним из технических решений было бы использование смесительных клапанов на выходах, используемых для раковин, ванн или душей, которые автоматически смешивали бы холодную воду, чтобы поддерживать максимальную температуру ниже 49 °C. Предложение добавить это в строительный кодекс Канады не увенчалось успехом. [10]