O centralnym ogrzewaniu dla zarządcy (1)

Aby móc pisać o eksploatacji instalacji centralnego ogrzewania, trzeba najpierw poświęcić trochę czasu na parę zasad fizycznych, które w takiej instalacji rządzą.

Na początek opis takiej instalacji. Ktoś może powiedzieć „każdy instalację zna i szkoda na to czasu". Czy rzeczywiście znajomość wodnej instalacji centralnego ogrzewania jest tak dobra, że szkoda na to czasu? Myślę, że parę słów przypomnienia, każdemu się przyda.

Rozpocznijmy od źródła ciepła, które zasila naszą instalację. Zaczynając od największych będzie to: elektrociepłownia z siecią przewodów i stacjami wymiennikowymi (tzw. węzły cieplne), kotłownie osiedlowe, także z siecią przewodów i węzłami przyłączeniowymi, kotłownie lokalne umiejscowione w ogrzewanym budynku i na końcu, bardzo obecnie popularne, ogrzewanie indywidualne lokali z kotłem gazowym lub małą centralą cieplną jako źródłem ciepła (ogrzewanie etażowe).

W każdej instalacji centralnego ogrzewania jest pompa wprawiająca w ruch wodę (pomijam ogrzewanie grawitacyjne, obecnie prawie niespotykane), układ stabilizacji ciśnienia i, na końcu, grzejniki przekazujące ciepło do pomieszczenia. Każdym z tych elementów zajmiemy się osobno.

Zasada działania wodnej instalacji centralnego ogrzewania

Nośnikiem ciepła w instalacji wodnej jest oczywiście woda. Podgrzewana w źródle ciepła, wprawiana w ruch przez pompy, nazywane obiegowymi lub cyrkulacyjnymi, dopływa do grzejników, gdzie oddaje zawarte w niej ciepło do pomieszczenia. Temperatura wody zasilającej grzejnik i temperatura wody wypływającej z niego mówi nam o tzw. parametrach pracy centralnego ogrzewania. Jest to bardzo ważna informacja, gdyż decyduje o powierzchniach grzejników i ilości wody, jaka do odbiornika ciepła dopływa.

Obie te wielkości (dochodzi do tego jeszcze temperatura powietrza w pomieszczeniu) decydują o ilości oddawanego w pomieszczeniu ciepła.

Aby woda grzejna mogła dopłynąć do grzejnika i potem wrócić do źródła ciepła, w instalacji musi być odpowiednie ciśnienie, a dokładniej różnica ciśnienia na zasileniu i powrocie. Ta różnica, gdy jest za mała, powoduje brak ciepła w grzejnikach, za duża zaś jest źródłem hałasów powstających na elementach dławiących, które znajdują się w instalacji. Jak z tego widać i tak źle, i tak niedobrze. Z moich kontaktów z instalatorami wiem, że właśnie ten problem i jego zrozumienie sprawia im największe kłopoty.

Odpowiednie ciśnienie czynne w instalacji to tylko początek problemu. Instalacja musi (powinna!) być tak zaprojektowana i wykonana, aby każdy odbiornik ciepła miał takie ciśnienie przed wlotem do niego, aby przepłynęła przez niego odpowiednia ilość wody, w czasie pozwalającym na oddanie do pomieszczenia potrzebnej ilości ciepła. W tym miejscu chciałbym podkreślić, co to jest ciśnienie czynne w instalacji. Jest to ciśnienie potrzebne do pokonania oporów przepływu wody w instalacji i nie ma nic wspólnego z wysokością, na jakiej znajduje się najwyżej położony grzejnik (bardzo często jest mylone z ciśnieniem, jakie powinno być w hydroforze).

Myślę, że większość Czytelników zgodzi się ze mną, że właśnie ze sprawą ciśnienia i jego rozdziału w instalacji mają największy problem. Dlatego też, zajmiemy się tym oddzielnie.

Grzejniki

Grzejnik, podstawowy element każdej instalacji centralnego ogrzewania, o pozornie prostej konstrukcji, sprawia w rzeczywistości sporo kłopotów. Dlaczego? Bo w zależności od jego konstrukcji zmieniają się zasady wymiany ciepła.

Grzejniki możemy podzielić wg wymiany ciepła, materiału, z którego są wykonane i konstrukcji. Wymiana ciepła to konwekcja (powietrze ogrzewa się od grzejnika i przenosi ciepło w pomieszczeniu) i promieniowanie (wymiana ciepła następuje bezpośrednio miedzy grzejnikiem, a ogrzewanym ciałem). Oczywiście nie mamy do czynienia z samą konwekcją (unoszeniem) lub samym promieniowaniem. Każde ciało wymienia ciepło przez promieniowanie i konwekcję (czasami dochodzi do tego przewodzenie, gdy ciała się stykają), ale w zależności od konstrukcji grzejnika i temperatury zasilania, stosunek konwekcji do promieniowania ulega zmianie.

Upraszczając trochę, można powiedzieć, że im wyższa temperatura, tym wyższa konwekcja (jej udział w całkowitej wymianie ciepła), im niższa - tym wyższy udział promieniowania.

Jeśli chodzi o konstrukcje grzejników, nie można narzekać na brak możliwości wyboru. Grzejniki rurowe, płytowe, żeberkowe (członowe) lub konwektory, to te widoczne w pomieszczeniach. Do tego dochodzą podłogowe lub sufitowe, a obecnie jeszcze zabudowane w ścianach, o których coraz częściej słyszymy. Nie bardzo wiadomo do czego przypisać tzw. promienniki. Są to blachy z przymocowanymi do nich wężownicami z rur stalowych lub miedzianych, umieszczone nad stanowiskami pracy (nie występują w budownictwie mieszkaniowym).

Gdy zajmiemy się materiałami, z jakich mogą być zrobione grzejniki, mamy również bardzo duży wybór. Kiedyś materiałem na grzejniki było żeliwo (elementy odlewane, fot. 1) lub stal (grzejniki spawane). Potem pojawiła się miedź w połączeniu z aluminium (rurki miedziane, lamele na nie nakładane - aluminiowe), a następnie aluminium pod postacią elementów odlewanych (fot. 2), podobnie jak to było z grzejnikami żeliwnymi. Obecnie na rynku najbardziej popularnym materiałem jest blacha stalowa, a do-kładniej grzejniki stalowe płytowe nazywane także panelami (fot. 3).

Wróćmy do tych kiedyś najbardziej popularnych (praktycznie jedynych dostępnych wtedy na rynku) grzejników członowych. Ich wysokość była określana cyframi: nr 0 o wysokości 390 mm, nr 1 o wysokości 590 lub 595 mm i nr 4 o wysokości 1090 lub 1095 mm. Odległość między osiami - odpowiednio 300, 500 i 1000 mm.

Grzejniki stalowe (pomijam tu płytowe, bo będą omawiane osobno) były wykonywane najczęściej z rur stalowych gładkich lub ożebrowanych z żebrami nawijanymi (tzw. rury Favier) lub nasadzanymi na rury.

Grzejniki z rur gładkich mogły być montowane poziomo lub pionowo (np. jako tzw. piony grzejne nazywane także świecowymi).

Instalatorzy, którym przychodzi wymieniać grzejniki z rur gładkich (pionowe lub poziome) na inne, przy okazji wymiany całej instalacji, mają z tym spore kłopoty. Nie bardzo wiedzą, jeżeli nie ma projektu, jakim grzejnikiem takie gładkie rury zastąpić.

W części poświęconej wydajności cieplnej poszczególnych rodzajów grzejników spróbuję podać sposoby, jak przeliczyć różne stare, już nie używane grzejniki, na nowe konstrukcje. Będzie to jednak sposób bardzo przybliżony, gdyż bez dokładnych obliczeń takiego pionu grzejnego nie można powiedzieć, ile ciepła daje on na każdej kondygnacji.

Jednym z najczęściej spotykanych błędów, gdy mowa jest o wymianie starych grzejników na nowe, jest żądanie, aby grzejnik wytrzymał ciśnienie robocze 9 barów, bo ma on zastąpić grzejniki żeliwne członowe. Warto wiedzieć, że maksymalne, dopuszczalne ciśnienie robocze w budynkach mieszkalnych to 6 barów.

W domkach jednorodzinnych, w których zainstalowane są nowoczesne kotły gazowe, fabrycznie zainstalowany zawór bezpieczeństwa to 2,5 lub 3,0 bary, nie potrzeba więc, aby grzejniki musiały wytrzymać wyższe ciśnienie. Chciałbym przypomnieć wszystkim, którzy takie żądanie stawiają, że większość grzejników żeliwnych miała dopuszczalne ciśnienie 4 bary, a tylko niektóre 6 barów (2 odlewnie żeliwa produkowały takie żeberka). Nigdy więc nie mieliśmy do czynienie z ciśnieniem wyższym, niż 6 barów.

Moc cieplna grzejników

Jak napisałem wyżej, ilość oddanego przez grzejnik ciepła zależy od temperatury wody wpływającej do grzejnika, jej wychłodzenia (czasu w jakim przez grzejnik płynie) i temperatury otoczenia (temperatury powietrza w pomieszczeniu). W zależności od temperatury zasilania i temperatury powrotu grzejniki będą miały inną moc cieplną i dlatego nie wolno porównywać mocy grzejników przy różnych parametrach.

Zanim przejdę do konkretnych wartości, które mogą się przydać w praktyce, chciałbym trochę miejsca poświęcić parametrom obliczeniowym instalacji centralnego ogrzewania, bo były stosowane różne. Kiedyś parametry wody w instalacji były narzucone odpowiednimi przepisami (teraz projektant może przyjąć parametry, jakie uważa za najlepsze dla projektowanej instalacji).

Nikt nie brał pod uwagę faktu, że w sieciach cieplnych woda dochodząca do instalacji domowych nigdy nie miała 150/70°C, a mimo to takie parametry musieliśmy przyjmować w obliczeniach. Innym pomysłem było 110/70°C jako parametry zasilające konwektory (obudowane blachą stalowe rury z nałożonymi żeberkami). W instalacjach z grzejnikami żeliwnymi były to najpierw 95/70°C, i później 90/70°C.

Piszę o tym nie po to, aby pokazać historię parametrów wody grzejnej, tylko po to, aby nie podchodzić automatycznie do wymiany starych grzejników. Jeżeli ktoś stoi przed takim zadaniem, najpierw powinien spróbować ustalić, dla jakich parametrów wody instalacja była zaprojektowana (ustalić obliczeniową moc cieplną), a dopiero wtedy zacząć przeliczać moc starych grzejników na nowe.

Nie jest możliwe podanie wydajności cieplnej dla różnych parametrów i typów grzejników, ograniczę się więc do grzejników żeliwnych członowych i rur gładkich, a konkretnie do mocy tzw. pionów grzejnych (rura stalowa o długości 2,5 m, pionowo zamontowana w pomieszczeniu - najczęściej w łazienkach lub korytarzach) i parametrach wody grzejnej 90/70°C (najczęściej stosowane w budynkach mieszkalnych od lat 70.).

Żeberko grzejnika żeliwnego nr 1 miało powierzchnię grzejną ok. 0,25 m² i moc cieplną 110 kcal/h (130 W), nr 4 zaś o powierzchni 0,48 m² - 200 kcal/h (230 W). Mając do czynienia z instalacją dawno wykonaną, i nie mając żadnych obliczeń, można przyjąć podane wyżej wartości, aby dobrać nowe grzejniki, dopasowując ich moc do parametrów, które będą zastosowane po wymianie instalacji. Nie zrobimy wtedy zbyt dużego błędu.

Bardziej skomplikowana jest sytuacja, gdy musimy wymienić piony grzejne na grzejniki lub dobrać rury do nowych parametrów.

W tabeli zestawiono moc pojedynczej rury. Najczęściej były to dwie rury (powrót i zasilanie) i niezupełnie odpowiadało prawdzie, gdy sumowano ich wydajności. Gorzej było z ustaleniem temperatury zasilania i powrotu, czyli temperaturą wody w każdej rurze na wejściu do pomieszczenia i wyjściu z niego. Bez policzenia wychłodzenia wody nie jesteśmy w stanie określić średniej temperatury wody w takim grzejniku.

Liczenie tego bez wykorzystania komputerów jest niepotrzebną stratą czasu. Dokładne liczenie mocy każdego „pionopiętra" (tak się to nazywało) przy zastosowaniu któregoś z programów wspomagających projektowanie jest bardzo łatwe, tylko... przy wymianie instalacji w budynkach, w których piony przecinają budynek od dołu do góry, nie mamy żadnej możliwości regulowania mocy grzejnej takich grzejników.

Należy jednak pamiętać o dobrym wyregulowaniu ciśnienia czynnego takiego pionu grzejnego, bo zaniedbanie w tym miejscu może sprawić nam sporo kłopotu przy regulacji całej instalacji. Rura gładka będzie miała mniejszy opór przepływu niż piony z grzejnikami i brak możliwości dopasowania oporu przepływu przez pion grzejny do rzeczywistych potrzeb będzie przyczyną złej pracy instalacji.

Rury stalowe ożebrowane (Favier'a) jeszcze do dzisiaj można spotkać w wielu zakładach przemysłowych, budynkach dworcowych i niektórych szkolnych salach gimnastycznych. Mają one rozbudowaną powierzchnię wymiany ciepła, a przez to dużą moc cieplną. Duża moc, to z kolei mały wymiar grzejnika i wszędzie tam, gdzie brakowało miejsca na zwykłe grzejniki instalowano rury ożebrowane, nie zważając na fakt, że są bardzo niehigieniczne (kurz osiadający między żebrami był praktycznie nie do usunięcia).

Jeden metr rury ożebrowanej (ok. 2 m² powierzchni grzejnej), przy parametrach 130/70°C, dawał ponad 800 kcal/h (930 W), a przy 90/70°C - 560 kcal/h (650 W). Te wielkości pokazują, dlaczego projektanci tak chętnie korzystali z takich grzejników. Z rur ożebrowanych tworzono grzejniki o bardzo dużej mocy. Przypominam sobie grzejnik zbudowany z 4 rur ożebrowanych, jedna nad drugą, i długości 5 m. Teraz gdy musimy zastąpić takie grzejniki innymi, które spełniają wymagania sanitarne, projektant staje przed bardzo trudnym zadaniem. Brak jest grzejników, które mogłyby zastąpić grzejniki z rur ożebrowanych. Ale to już zupełnie inny problem, który w małym stopniu interesuje administratorów.

W następnym odcinku zajmiemy się odbiorem dokumentacji od projektanta. Co i jak należy sprawdzić, aby później nie mieć kłopotów?

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!