Стратификация — это естественное расслоение воды в баке-накопителе, при котором горячая вода находится над холодной: вода при 60 °C примерно на 1,5 % менее плотная, чем при 20 °C, поэтому она всплывает. Хорошо стратифицированный бак отдает сверху воду полной температуры, а снизу подает на солнечные коллекторы или тепловые насосы максимально холодную воду; по данным исследований с численным моделированием, стратифицированные накопители дают до 20 % больше солнечной выработки.
Что такое стратификация в баке для горячей воды?
Стратификация — это температурное расслоение, вызванное плотностью: вода при 60 °C примерно на 1,5 % легче воды при 20 °C, поэтому горячая вода устойчиво плавает над холодной, а между ними образуется резкая переходная зона — термоклин. Если воду в высоком баке не тревожить, в нем сами собой формируются горячий верх, холодный низ и термоклин толщиной в несколько сантиметров. Расслоение — это физика, работающая бесплатно; каждое проектное решение вокруг бака-накопителя либо защищает его, либо разрушает.
Почему стратификация увеличивает объем пригодной к использованию горячей воды?
Поскольку водоразбор идет сверху, стратифицированный бак отдает воду, готовую для душа, даже когда половина его объема уже холодная. Если ту же энергию полностью перемешать по объему бака, вся вода станет тепловатой: бак на 200 л, в котором 100 л при 60 °C лежат над 100 л при 10 °C, сразу обслуживает душ, тогда как эквивалентный перемешанный бак имеет везде 35 °C — то же энергосодержание, но ни одного полноценного душа до нового нагрева. Поэтому стратификация — скрытая переменная, от которой зависит, сколько полезной горячей воды на самом деле дает бойлер, и которая стоит за быстрым кажущимся «восстановлением»: стратифицирующийся бак восстанавливает пригодный горячий слой наверху задолго до того, как нагреется весь объем.
| Свойство | Стратифицированный бак | Полностью перемешанный бак |
|---|---|---|
| Температура на выходе | Полная температура накопления, пока не поднимется термоклин | Средняя температура, постоянно падающая |
| Пригодная вода до нового нагрева | Много — горячий слой остается нетронутым | Мало — вся вода тепловатая |
| Возврат на коллектор / тепловой насос | Самая холодная вода в баке | Средняя температура |
| КПД солнечного коллектора | Выше — холодный вход снижает потери | Ниже |
| COP теплового насоса при нагреве ГВС | Выше в начале цикла нагрева | Ниже на всем протяжении |
Почему солнечные системы и тепловые насосы зависят от нее?
Эффективность обеих технологий зависит от температуры возвращаемой к ним воды. Солнечный коллектор, на который подается вода 20 °C из низа стратифицированного бака, работает намного эффективнее, чем при подаче перемешанной воды 45 °C, поскольку потери коллектора растут с разностью температур между абсорбером и окружающей средой; работы Программы IEA по солнечному отоплению и охлаждению по комбинированным накопителям показали, что хорошо стратифицированные баки могут повышать годовую выработку системы на величину примерно до 20 % по сравнению с перемешиваемыми накопителями, и та же логика повышает достижимую долю солнечного замещения. Тепловой насос тоже выигрывает: когда нагрев идет за счет холодного нижнего слоя, температура конденсации остается низкой, а эффективность теплового насоса падает примерно на 2–3 % на каждый лишний градус температуры подачи. В буферной емкости стратификация дополнительно сохраняет горячую воду подачи наверху, пока змеевик или обратные патрубки работают в холодной зоне, — именно поэтому так важно расположение змеевика, описанное в материале какой змеевик нагревает какую часть бойлера с двумя змеевиками.
Что разрушает стратификацию?
Скорость и плохая обвязка. При загрузке или отборе с высоким расходом вода струей бьет в бак и перемешивает слои — скорости на входе важнее объемов. Неправильное расположение патрубков вводит теплую воду низко или холодную высоко, сбрасывая ее не в тот слой. Контур рециркуляции горячей воды, возвращающийся в середину бака, непрерывно подмешивает теплую воду в холодную зону — одна из причин, по которой управление циркуляционной линией требует внимания. Медленнее действуют вертикальная теплопроводность по стальной стенке, внутренний термосифон по неизолированным соединительным трубам и любой насос, продолжающий работать после того, как разность температур исчезла.
Какие конструктивные решения защищают стратификацию?
Производители баков борются за сохранение слоев с помощью геометрии и оснащения: высокое узкое соотношение сторон (высота не менее чем вдвое больше диаметра) углубляет расслоение; входные диффузоры и перегородки мягко распределяют поступающую воду на соответствующем температурном уровне; стратификационные трубы позволяют поступающей воде входить в слой своей плотности; а несколько патрубков на разных высотах позволяют солнечному контуру, тепловому насосу и котлу работать каждому в своей зоне. В эксплуатации держите расходы зарядки и разряда умеренными, изолируйте соединительные трубы и подключайте обратные линии на высоте, соответствующей их температуре; стандарты испытаний, такие как EN 12977-3, существуют именно для оценки того, насколько хорошо накопитель сохраняет свои слои.
Часто задаваемые вопросы
Лучше ли высокий узкий бак для горячей воды, чем низкий широкий?
Для стратификации — да. Соотношение высоты и диаметра около 2:1 и более дает термоклину место для формирования и уменьшает перемешивание, поэтому качественные бойлеры и буферные накопители делают высокими и узкими, а не приземистыми.
Экономит ли стратификация энергию?
Да. Она увеличивает пригодную к использованию долю накопленного тепла и позволяет солнечным коллекторам и тепловым насосам работать с более холодной обратной водой, где они наиболее эффективны, — исследования солнечных комбинированных накопителей сообщают о приросте на уровне системы до примерно 20 % по сравнению с перемешиваемым накопителем.
Разрушает ли контур рециркуляции стратификацию?
Может. Циркуляционная линия непрерывно возвращает в бак остывшую, но еще теплую воду; если она возвращается на неверной высоте или работает круглосуточно, она размывает термоклин и увеличивает теплопотери в режиме ожидания. Управление по таймеру или по потребности ограничивает вред.
Как понять, что мой бак стратифицируется правильно?
Потрогайте поверхность бака или проверьте показания датчиков сверху и снизу во время водоразбора: исправно работающий бак показывает большой разброс температур — верх остается горячим, а низ становится холодным. Если бак одинаково теплый сверху донизу, вода в нем перемешивается.