Zbiornik wyrównawczy systemu grzewczego: budowa, obliczenia i wybór najlepszego wariantu

Prawidłowo dobrany i fachowo zamontowany zbiornik wyrównawczy systemu grzewczego nie dopuści do jego awarii, utrzyma ciśnienie na wymaganym poziomie. Jest potrzebny jako rezerwa dla rozszerzającej się pod wpływem ogrzewania wody. W zależności od rodzaju systemu, wbudowany zbiornik wyrównawczy może być typu otwartego lub zamkniętego.

Opowiemy o tym, jak dobrać zbiornik rezerwowy w zależności od tworzonego schematu ogrzewania. W przedstawionym przez nas artykule opisano cechy konstrukcyjne i specyfikę montażu zbiorników wyrównawczych. Podano zalecenia, których przestrzeganie zapewni idealną pracę obiegu grzewczego każdego typu.

Zbiorniki wyrównawcze typu otwartego

Cechą konstrukcyjną zbiorników wyrównawczych typu otwartego jest kontakt czynnika grzewczego z atmosferą. Cyrkulacja w systemach z tego typu zbiornikiem jest konwekcyjna. Podczas ogrzewania objętość płynu wzrasta, jego nadmiar jest pochłaniany przez zbiornik.

Przy spadku temperatury płyn wraca samoistnie, pod wpływem grawitacji.

Ze względu na zerowe ciśnienie w zbiorniku, urządzenie nie wymaga wytrzymałej konstrukcji metalowej, dlatego:

• w produkcji obudowy stosuje się dowolny metal;
• można użyć gotowego zbiornika z termoodpornego tworzywa sztucznego;
• kształt zbiornika nie jest kluczowy.

W domkach letniskowych takie urządzenie może być złożone z improwizowanych środków. Jako zbiornik można użyć plastikowego kanistra lub beczki wyposażonej w króciec wlotowy i wylot przelewowy.

Zbiorniki wyrównawcze typu otwartego mogą być wykonane w formie prostokątnego zbiornika z nieszczelną pokrywą na górnej powierzchni

Zewnętrznie jest to zwykły metalowy zbiornik, którego górna powierzchnia jest wyposażona w otwór do obsługi i uzupełniania płynu. Ochronę przed zabrudzeniem zapewnia nieszczelna pokrywa. W dolnej części lub na bocznej powierzchni przewidziano punkty mocowania.

Otwarte systemy grzewcze stosuje się w niskich budynkach, gdzie objętość czynnika grzewczego i długość instalacji grzewczych są stosunkowo niewielkie.

Wymagania dotyczące instalacji są proste:

• zbiornik wyrównawczy umieszcza się w najwyższym punkcie, na przewodzie zasilającym;
• zasilanie jest podłączone do zbiornika przez króciec;
• do odprowadzenia nadmiaru cieczy wykonuje się wcięcie przelewu powyżej obliczonego poziomu.

Aby zapewnić cyrkulację grawitacyjną, do montażu zaleca się stosowanie rur o zwiększonym przekroju.

Otwartą konstrukcję umieszcza się w najwyższym punkcie, skąd ciecz spływa grawitacyjnie

Zazwyczaj zbiornik montuje się w ogrzewanym pomieszczeniu, na ocieplonym poddaszu, a jeśli to niemożliwe, zbiornik należy zaizolować. Izolacja zapobiegnie zamarznięciu cieczy i utracie wydajności systemu.

Zbiorniki wyrównawcze typu zamkniętego

Specyfiką konstrukcyjną zamkniętych wariantów zbiornika jest całkowita szczelność, co pozwala utrzymać wymagane ciśnienie cyrkulacji w każdym punkcie systemu.

Wewnątrz zbiornik jest podzielony membraną na część powietrzną i część cieczową. Każda z komór jest całkowicie szczelna – mieszanina zawierająca azot z części powietrznej nigdy nie zmiesza się z czynnikiem grzewczym wypełniającym część cieczową.

Zasada działania zamkniętego zbiornika wyrównawczego polega na tym, że podgrzana ciecz z systemu jest wypychana do części cieczowej zbiornika i zaczyna naciskać po swojej stronie na szczelną membranę. Przegroda odkształca się i oddziałuje na część powietrzną, ściskając ją.

W rezultacie objętość komory powietrznej zbiornika zmniejsza się, a gaz w niej się spręża. Ta sytuacja przyczynia się do wzrostu ciśnienia w systemie. Gdy tylko ciśnienie się normalizuje, czynnik grzewczy jest wypychany z powrotem z komory cieczowej.

Jeśli ciśnienie gwałtownie wzrasta, to po osiągnięciu krytycznej objętości cieczy w zbiorniku zadziała zawór bezpieczeństwa. W rezultacie nadmiar czynnika grzewczego zostanie usunięty ze zbiornika.

Konstrukcja zamknięta jest całkowicie szczelna, w jej dolnej części znajduje się kołnierz z rurą przyłączającą, a w górnej – nyple do napełniania gazem

W zależności od kształtu wszystkie zamknięte zbiorniki wyrównawcze do instalacji w systemie grzewczym dzielą się na następujące rodzaje:

1. Kuliste – rodzaj konstrukcji membranowej z elastyczną przegrodą. Pod wpływem cieczy rozciąga się i przyjmuje cały nadmiar objętości. Sam zbiornik ma postać kulistej kapsuły.
2. Owalne – kolejny rodzaj membranowych hydrokompensatorów. Butla zbiornika wyrównawczego jest tradycyjnie podzielona elastyczną membraną na komorę gazową i cieczową, ale konfiguracja obudowy ma nieco wydłużony pionowo kształt.

Zewnętrznie owalne zbiorniki wyrównawcze mają postać cylindrycznej butli pomalowanej na czerwono. Z jednej strony znajduje się nyple do wytwarzania ciśnienia w komorze gazowej, z drugiej – rura przyłączająca, przez którą następuje podłączenie do systemu.

Do obudowy przyspawane są elementy mocujące, które zapewniają montaż naścienny urządzenia i są w stanie utrzymać jego masę roboczą. Kulista modyfikacja zbiornika różni się od owalnej tylko kształtem.

Ze względu na rodzaj, membranowe zamknięte naczynia wzbiorcze dzielą się na przeponowe i balonowe.

W układach zamkniętych cyrkulacja grawitacyjna nie zapewni wymaganego poziomu ciśnienia. Dlatego w konstrukcji uwzględnia się pompę obiegową.

Samo naczynie wzbiorcze można umieścić w dowolnym punkcie systemu, ale podczas montażu warto uwzględnić następujące zalecenia:

• najlepszym miejscem instalacji jest przewód powrotny, przed punktem włączenia pompy;
• zasilanie czynnikiem grzewczym lepiej doprowadzić od góry, co zmniejszy przedostawanie się powietrza i zachowa funkcjonalność w przypadku uszkodzenia membrany;
• niedobór podstawowej objętości można skompensować instalując dodatkowe naczynie wzbiorcze o mniejszej pojemności.

Podczas instalacji nie zabrania się uwzględnienia wystroju pomieszczenia, jeśli zajdzie taka potrzeba. Do kontroli poziomu ciśnienia w systemie grzewczym naczynie wzbiorcze powinno być wyposażone w manometr.

Zamknięte naczynie wzbiorcze zazwyczaj montuje się przed kotłem, przed miejscem instalacji pompy obiegowej

Możliwość umieszczenia w pobliżu kotła eliminuje konieczność izolacji zbiornika. Urządzenie znajduje się w ogrzewanym pomiszczeniu, co zapewnia wygodę eksploatacji.

Która konstrukcja jest lepsza?

Systemy, w zależności od budowy i materiału naczynia wzbiorczego, różnią się zestawem zalet i wad. Jednak zdaniem ekspertów i doświadczonych użytkowników, zalety funkcjonalne przemawiają na korzyść wariantów zamkniętych.

Zalety i wady zbiornika otwartego

System grawitacyjny wymaga rur o większej średnicy, co bezpośrednio zwiększa koszty. Budżet na urządzenie otwartego systemu grzewczego z nieszczelnym naczyniem wzbiorczym nieznacznie wzrasta, choć pozostaje stosunkowo niewielki.

Główne zalety tego wariantu to prostota, a także niski koszt komponentów i prac montażowych. Kolejną pozytywną cechą jest brak konieczności kontroli poziomu ciśnienia.

Naczynie wzbiorcze otwarte do małych systemów można zmontować z materiałów pod ręką, a jego montaż nie będzie skomplikowany.

Jednak wad jest znacznie więcej:

• stosowanie płynu niezamarzającego jest niebezpeczne ze względu na toksyczne opary;
• możliwości montażu są ograniczone jedynie do najwyższego punktu systemu;
• stały kontakt z atmosferą zwiększa ryzyko zapowietrzenia i korożji;
• powolne nagrzewanie;
• wahania temperatury towarzyszące cyrkulacji konwekcyjnej przyspieszają zużucie urządzeń;
• stosowany w ogrzewaniu budynków niskich, maksymalnie dwupiętrowych;
• duże straty ciepła i zużucie energi na nagrzewanie.

Kolejną wadą układu otwartego są straty spowodowane parowaniem i przelewaniem. Dlatego podczas montażu zbiornika należy zadbać o dostępność otworu do uzupełniania.

Zalety i wady zbiornika zamkniętego

Jeśli pod względem cen i prostoty montażu wygrywają otwarte naczynia wyrównawcze, to funkcjonalność jest mocną stroną zbiornika zamkniętego, zwanego również ekspansomata. To właśnie one są używane w budowie zamkniętych systemów grzewczych, niemających bezpośredniego kontaktu z atmosferą.

Ekspansomaty posiadają następujące zalety:

• całkowita szczelność umożliwia stosowanie płynu niezamarzającego;
• miejsce umieszczenia naczynia wyrównawczego nie wpływa na wydajność systemu;
• izolacja wnętrza zbiornika minimalizuje ryzyko zapowietrzenia i wystąpienia korozji;
• po uruchomieniu system nagrzewa się szybciej, jest bardziej wrażliwy na regulację ustawień temperatury;
• mniejsza różnica między warunkami pracy linii zasilającej i powrotnej, co w efekcie zwiększa żywotność;
• nie wymaga montażu rur o dużej średnicy, co pozwala zaoszczędzić na budowie;
• nie wymaga ciągłego monitorowania poziomu i stanu cieczy;
• możliwość zastosowania w systemach zaprojektowanych dla kilku pięter;
• niewielkie straty ciepła, zmniejszające koszty eksploatacji urządzenia.

Przy wyborze naczyn wyrównawczych tego typu można spotkać szczelne butle o konstrukcji nierozbieralnej. W przypadku awarii membrany butlę trzeba wymienić na nową.

Aby kontrolować poziom ciśnienia roboczego, na butli montuje się manometr, a do odprowadzania nadmiaru powietrza instaluje się odpowietrznik automatyczny lub mechaniczny.

Z wad należy wymienić skomplikowaną konstrukcję, szczególne wymagania dotyczące materiałów, które zwiększają koszt urządzenia. Do tego można dodać konieczność stałej kontroli ciśnienia i jego przywracania w razie potrzeby.

Zasady obliczania pojemności zbiornika

Ekspander dowolnego typu będzie skuteczny tylko przy prawidłowym doborze objętości. W tym celu należy uwzględnić zdolność cieczy do rozszerzania się podczas nagrzewania. Woda w obiegach grzewczych rozszerza się co najmniej o 3% całkowitej objętości systemu wodnego, a płyn niezamarzający – praktycznie o 5%.

Płyny należą do kategorii nieściśliwych mediów, dlatego zbiornik musi zapewnić im wystarczający zapas na rozszerzalność cieplną z pewnym marginesem. Przy całkowitym napełnieniu obiegu czynnikiem grzewczym nawet rozszerzalność cieplna w obliczonych objętościach może doprowadzić do spuszczenia cieczy przez zawór bezpieczeństwa i wycieku czynnika grzewczego na podłogę.

Dlatego, aby przekroczenie objętości rozszerzającego się czynnika grzewczego nie prowadziło do awarii, zamknięte zbiorniki do małych obiegów w domach jednorodzinnych dobiera się tak, aby ich objętość była równa 10% całkowitej objętości czynnika grzewczego krążącego w systemie. Zasada ta obowiązuje dla systemów o pojemności do 150 l.

Jeżeli w obiegu grzewczym krąży więcej niż 150 l czynnika grzewczego, pojemność zamkniętego zbiornika oblicza się, mnożąc całkowitą objętość cieczy przez jej współczynnik rozszerzalności przy konkretnych wartościach temperatury roboczej w systemie.

Do otrzymanej wartości należy dodać wielkość zamknięcia wodnego, tj. objętość czynnika grzewczego powstałego w zbiorniku w wyniku standardowego ciśnienia statycznego cieczy. W przypadku dużych obiegów grzewczych wskaźnik ten wynosi zazwyczaj 0,5% całkowitej objętości czynnika grzewczego, a w przypadku małych, o pojemności do 150 l, przyjmuje się 20%.

Otrzymana suma jest mnożona przez współczynnik korygujący, określany na podstawie wartości ciśnienia wstępnego i końcowego w systemie grzewczym. Ciśnienie wstępne przyjmuje się przy założeniu, że na 10 m wysokości obiegu przypada 1 bar. Ciśnienie końcowe kształtuje się w wyniku pracy systemu.

Obliczenie objętości zbiornika zamkniętego dla dużych, skomplikowanych konstrukcji grzewczych wygląda następująco:

W obliczeniach użyto: Vn – nominalna objętość zamkniętego zbiornika; Ve – objętość czynnika grzewczego przy rozszerzalności cieplnej (obliczana według wzoru Vsystemu×n%, gdzie n to współczynnik rozszerzalności cieplnej czynnika grzewczego); Vv – zamknięcie wodne; po – ciśnienie wstępne; pe – wskaźnik ciśnienia końcowego, równy wartości ciśnienia granicznego zaworu bezpieczeństwa minus 0,5 bara.

Pojemność typu otwartego nie jest ściśle regulowana normami, ale istnieje zasada: objętość otwartego zbiornika do króćca przelewowego powinna wynosić 3,5 – 4 % całkowitej objętości czynnika grzewczego w obiegu grzewczym.

Taka ocena wystarcza dla małego domku letniskowego, ale budynek przeznaczony do stałego zamieszkania będzie wymagał dokładniejszych obliczeń. Przede wszystkim trzeba będzie ustalić całkowitą objętość systemu grzewczego.

Opcje obliczania całkowitej pojemności ogrzewania

Ten wskaźnik można określić z różnym stopniem dokładności trzema głównymi sposobami. Po pierwsze, na podstawie danych z karty kotła. Na jednostkę mocy urządzenia kotłowego potrzeba około 15 litrów płynu. Aby uzyskać potrzebne dane, należy pomnożyć 15 przez moc kotła podaną w karcie technicznej.

Po drugie, można ustalić objętość za pomocą wodomierza podczas napełniania systemu. W miarę napełniania uwzględnia się ilość zużytego płynu. Jest to bardziej dokładna i kłopotliwa opcja.

Trzeci sposób polega na obliczeniu łącznej objętości wszystkich elementów systemu grzewczego. Jest to najdokładniejsza opcja. Pojemność wymiennika ciepła kotła, grzejników, konwektorów, przyrządów pomiarowych można ustalić na podstawie danych z katalogu. Do obliczenia pojemności rur stosuje się dane z tabeli.

W tabeli podano rozmiary rur w calach i ich objętość w litrach na 1 metr, która jest używana do sumowania całkowitej objętości

W tabeli podano objętość rur na metr długości, wykonanych z najpopularniejszych i nowoczesnych materiałów. Średnica wewnętrzna podana w calach od 0,5 do 1,5 jednostek.

Jeszcze jedna metoda, pretendująca do wysokiej dokładności, – obliczenie według wzoru:

Vcałk = π x D2 x L/4,

gdzie:

• π – wynosi 3,14;
• D – oznacza parametry średnicy wewnętrznej rur;
• L – wskazuje na długość rurociągu systemu.

Po uzyskaniu niezbędnych danych sumuje się je i otrzymuje całkowitą objętość systemu, którą wykorzystuje się w dalszych obliczeniach.

Kroki i wzory pełnego cyklu obliczeń do projektowania i organizacji ogrzewania domu jednorodzinnego przedstawiono tutaj. Zalecamy zapoznanie się z przydatnymi informacjami.

Wybór zbiornika wyrównawczego według tabeli

Mając niezbędne dane, optymalny wariant naczynia wzbiorczego można dobrać według tabeli objętości i ciśnienia obliczeniowego.

Całkowita objętość systemu jest obliczana według podanej metody, parametry ciśnienia są aktualne tylko dla zamkniętych modyfikacji i są podane w danych katalogowych urządzenia.

Dane z tabeli pozwalają wybrać objętość naczynia wzbiorczego od 4 do 300 litrów

Ta opcja nie wymaga specjalnych obliczeń, poza obliczeniem całkowitej objętości systemu. Użycie tabeli znacznie ułatwia i przyspiesza wybór naczynia wzbiorczego o wymaganej pojemności zbiornika.

Użycie wzorów do obliczeń

Jeżeli dane z tabeli są niewystarczające, istnieje możliwość samodzielnego obliczenia wymaganego wskaźnika objętości zbiornika.

W tym celu stosuje się następujący wzór:

Vb = Vc x k/D,

gdzie:

• Vb – oznacza szukaną pojemność naczynia wzbiorczego;
• Vc – całkowitą pojemność systemu;
• k – współczynnik rozszerzalności cieczy podczas ogrzewania;
• D – współczynnik efektywności naczynia wzbiorczego.

Spośród danych wymaganych do obliczeń nieznane pozostają współczynniki k i D. Pierwszy jest wartością tabelaryczną, a drugi oblicza się według osobnego wzoru.

Istnieje również i jest używana tabela rozszerzalności temperaturowej. Pozwala ona określić współczynnik dla systemów z wodą lub płynem niezamarzającym. Wartość nie jest liniowa, zmienia się podczas ogrzewania, w zależności od obecności i stężenia glikolu w cieczy.

Za pomocą tych danych można określić parametry współczynnika rozszerzalności cieczy podczas ogrzewania (k), niezbędne do obliczenia objętości naczynia wzbiorczego

Dla wody stężenie glikolu etylenowego przyjmuje się za «0», dla płynu niezamarzającego stężenie określa się na podstawie danych deklarowanych przez producenta. Temperaturą ogrzewania uznaje się temperaturę eksploatacyjną dla konkretnego systemu.

Aby samodzielnie obliczyć współczynnik efektywności naczynia wzbiorczego, stosuje się wzór:

(Qm – Qb) : (Qm + 1),

gdzie:

• Qm – maksymalne ciśnienie systemu według progowej wartości zadziałania zaworu bezpieczeństwa;
• Qb – ciśnienie wstępne w komorze powietrznej naczynia wzbiorczego według dokumentacji technicznej.

Jeżeli ostatni parametr jest nieznany, mierzy się go podczas pompowania lub poprzez odpowietrzenie przez nypl butli.

Inne metody obliczeń

Oprócz samodzielnych obliczeń za pomocą wzorów i tabel istnieją alternatywne metody. Dostępną opcją obliczeń jest pomoc kalkulatora online.

Nie brakuje zasobów sieciowych oferujących online obliczenie szukanej wartości. Można je łatwo znaleźć za pomocą słowa kluczowego

Kolejną opcją uzyskania potrzebnych danych jest zwrócenie się do profesjonalnych projektantów. Jest to najbardziej niezawodny sposób, ale dokładność uzyskanych informacji będzie dość kosztowna.

Z zasadami instalacji i podłączania naczyń wzbiorczych zamkniętego i otwartego typu zapozna następny artykuł, poświęcony tym zagadnieniom.

Jak prawidłowo wybierać zbiornik wyrównawczy?

Zaleca się określenie typu systemu grzewczego już na etapie planowania. Wybór naczynia zazwyczaj odkłada się na okres po wzniesieniu budynku, gdy system jest zamontowany, a jego objętość znana.

Przy doborze optymalnego wariantu naczynia wzbiorczego zaleca się:

• kierować się objętością zamkniętego naczynia wzbiorczego przekraczającą wartość rozszerzalności temperaturowej czynnika grzewczego;
• Przy zakupie należy zwrócić uwagę na podłączenie, kształt zbiornika i umiejscowienie złączy montażowych – pozwoli to uniknąć niespodzianek podczas instalacji;
• Ważne jest, aby zwrócić uwagę na instrukcję na obudowie, która zawiera przydatne informacje dotyczące montażu i parametrów technicznych.

Przy zakupie lepiej kierować się sprawdzonym producentem, nawet jeśli jego zbiorniki będą droższe. To zagwarantuje trwałość systemu grzewczego, oczywiście pod warunkiem prawidłowej eksploatacji i regularnej konserwacji.

Przed podłączeniem ciśnienie wstępne w komorze gazowej zbiornika membranowego ustawia się na wartość równą parametrom ciśnienia statycznego słupa czynnika grzewczego w obiegu grzewczym. Regulacja odbywa się za pomocą zwykłej pompki samochodowej, kontrolowanej manometrem.

Najważniejsze to nie kupić do systemu grzewczego zbiornika bojlerowego – są one zupełnie różne pod względem parametrów technicznych

Nie należy mylić naczyń wzbiorczych dla systemów grzewczych z hydroakumulatorami dla linii zimnej wody użytkowej. Różnią się wyglądem i cechami konstrukcyjnymi. Pierwsze są pomalowane na czerwono i zazwyczaj nierozbieralne, drugie mają niebieski kolor i są wyposażone w zdejmowany kołnierz do naprawy membrany.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film pomoże określić parametry naczynia wzbiorczego typu zamkniętego, zrozumieć różnice między zbiornikami do ogrzewania a systemami bojlerowymi:

Zasada działania i cechy doboru zbiornika w filmie:

System grzewczy domu jednorodzinnego może być wykonany w układzie otwartym lub zamkniętym, co wymaga montażu naczynia wzbiorczego o odpowiedniej konstrukcji. Kluczowym czynnikiem jego działania jest pojemność, którą można obliczyć samodzielnie lub powierzyć profesjonalnym projektantom.

Odpowiednio dobrane urządzenie pomoże utrzymać wymaganą objętość płynu w układzie otwartym, a w szczelnym ogrzewaniu utrzyma poziom ciśnienia roboczego.

Prosimy pisać komentarze w bloku poniżej. Dzielcie się własnym doświadczeniem w montażu obiegów grzewczych z naczyniem wzbiorczym i przydatnymi dla odwiedzających stronę informacjami. Zadawajcie pytania, publikujcie zdjęcia na temat artykułu.