Systemy instalacyjne do instalacji grzewczych

Współczesne instalacje grzewcze można wykonywać w różnych systemach instalacyjnych, zarówno odpowiadających na zróżnicowane potrzeby inwestorów (w tym budżetowe), jak i umożliwiających uwzględnienie specyfiki różnych systemów grzewczych.

Systemy przewodów metalowych

Powszechne w starszych instalacjach przewody gwintowane ze stali ocynkowanej i czarnej straciły w ostatnich latach na popularności na rzecz innych materiałów i technik łączenia. O ich zastosowaniu w instalacjach c.o., np. remontowanych, decyduje cena, stosunkowo mała rozszerzalność cieplna, łatwość montażu oraz przyjazne dla instalatorów metody łączenia. W grupie przewodów metalowych stosuje się najczęściej cienkościenne rury miedziane i stalowe.

W nowych i remontowanych instalacjach wysokotemperaturowych montowanych w bardziej prestiżowych budynkach stosuje się rury miedziane ze względu na ich trwałość, odporność na korozję i wyższą niż 90°C temperaturę czynnika grzewczego (np. do instalacji współpracujących z kotłem na biomasę). Jednak powszechne zastosowanie miedzianych rur grzewczych ogranicza zarówno wysoka cena przewodów i złączek, jak i postępujące braki kadrowe związane z malejącą liczbą instalatorów przygotowanych do pracy z rurami miedzianymi.

Rury miedziane w układach ogrzewania znajdują także zastosowanie jako przewody z czynnikiem chłodniczym łączące jednostkę wewnętrzną i zewnętrzną pompy ciepła typu split. Instalację taką, jako stanowiącą ingerencję w układ chłodniczy pompy ciepła, musi wykonać osoba mająca certyfikat dla personelu (tzw. certyfikat F-gazowy). Rury z czynnikiem chłodniczym są bardzo wrażliwe na nieprawidłowe wykonanie (co powoduje nieprawidłowości w pracy układu chłodniczego i wymianie ciepła oraz niższą sprawność pompy ciepła i większe zużycie energii elektrycznej).

Do wykonywania przewodów z czynnikiem chłodniczym należy używać sprawnych i skalibrowanych narzędzi (obcinarek, roztłaczarek, kielichownic czy giętarek) i umiejętnie się nimi posługiwać – przykładowo nieprawidłowe wykonanie łuku powoduje osłabienie ścianki rury i powstanie przewężenia nadmiernie zwiększającego opory przepływu czynnika chłodniczego. Połączenia lutowane należy wykonywać w osłonie azotu jako gazu ochronnego, a połączenia skręcane ze śrubunków zalecanych przez producenta, z odpowiednim momentem skręcającym – zbyt mocne dokręcenie śrubunku spowoduje zniekształcenie połączenia, a tym samym utratę jego szczelności. Przed uruchomieniem pompy ciepła, szczególnie przy montażu w temperaturze ujemnej, po wykonaniu próby szczelności rury należy osuszyć próżniowo.

Przewody z tworzyw i wielowarstwowe

W technice instalacyjnej stosuje się także tworzywa sztuczne jako bazę do wykonywania przewodów grzewczych – szczególnie, ale nie tylko, w niskotemperaturowym ogrzewaniu podłogowym. Tworzywa są odporne na korozję i mają pewną izolacyjność cieplną (ze względu na mniejszą w porównaniu do przewodów metalowych przewodność cieplną). Oparte na nich systemy rurowe mogą być wykonywane w nowoczesnych technologiach łączenia, ułatwiających i przyspieszających prace montażowe.

Najczęściej w instalacjach stosuje się przewody:

• z powłoką antydyfuzyjną zabezpieczającą przed wnikaniem (dyfuzją) tlenu do wnętrza przewodów. Jako warstwę antydyfuzyjną stosuje się aluminium (zwykle w przewodach wielowarstwowych, gdzie pełni też funkcję stabilizacyjną) lub kopolimer winylowo-alkoholowy (EVOH);
• stabilizowane dodatkową warstwą metalu, włókna szklanego lub kopolimeru – zwiększa to elastyczność rur, umożliwiając ich gięcie i ograniczając liczbę połączeń oraz zwiększając wytrzymałość mechaniczną lub temperaturową;
• wielowarstwowe, łączące powyższe rozwiązania – wewnętrzna i zewnętrzna warstwa przewodu wykonywane są najczęściej z tworzywa sztucznego, a środkowa z metalu lub tworzywa nieprzepuszczającego tlenu. Przykładowo rura PE-X/Al/PE-X (polietylen usieciowany/aluminium/polietylen usieciowany) cechuje się wyższą wytrzymałością mechaniczną i plastycznością w porównaniu do rur z polietylenu sieciowanego, a warstwa aluminium zabezpiecza przed dyfuzją.

Jednym ze stosowanych tworzyw jest polietylen (PE) w formie polietylenu sieciowanego wysokiej gęstości (PE-X) oraz polietylenu o zmodyfikowanej strukturze i podwyższonej odporności na wysoką temperaturę (PE-RT). Instalacje z tych materiałów, także stanowiących część rur wielowarstwowych, znajdują zastosowanie przede wszystkim w ogrzewaniu podłogowym. Cechują się wysoką elastycznością (zachowują ją w temperaturze –10°C), co oznacza możliwość gięcia rur (np. w instalacji ogrzewania podłogowego) i małą liczbę połączeń. PE-RT występuje w rurach z warstwą antydyfuzyjną EVOH, a oba rodzaje polietylenu – w rurach wielowarstwowych, np. PE-X/AL/PE-X, ­PE-X/AL/PE-HD, PE-RT/AL/PE-HD czy PE-RT/AL/PE-RT. Można je zaprasowywać i łączyć na wcisk (szybkozłączką).

Polipropylen (PP) i polipropylen wzmacniany (PP-R) ma większą wytrzymałość i sztywność niż polietylen, jednak w temperaturze bliskiej 0°C stają się kruchy i podatny na uszkodzenia udarowe, zwłaszcza podczas transportu i montażu. Stosuje się go głównie w pomieszczeniach, także do ogrzewania podłogowego – są to wówczas rury ze stabilizacyjną wkładką z aluminium lub włókna szklanego. Przewody z PP łączone są poprzez złączki gwintowane lub polifuzyjne zgrzewanie mufowe, które polega na jednoczesnym nagrzaniu w temperaturze 260°C zewnętrznej powierzchni rury oraz wewnętrznej powierzchni króćca kształtki za pomocą zgrzewarki elektrycznej. Po określonym czasie nagrzewane elementy wyjmuje się z nakładek, a rurę natychmiast (bez ruchu obrotowego) wsuwa w króciec kształtki. Powstające połączenie jest trwałe i szczelne, wymaga jednak doświadczenia i dokładności.

Polibutylen (PB) cechuje się najwyższą wśród tworzyw sztucznych wytrzymałością na uderzenia (udarność) i zmiany ciśnienia (odporność na uderzenia hydrauliczne) oraz niskim modułem sprężystości, dzięki czemu nie odkształca się pod wpływem długotrwałych obciążeń. Jest też odporny na zamarzanie wody w instalacji, ponieważ dzięki wysokiej wytrzymałości rura rozszerza się w miejscu korka lodowego, a po jego roztopieniu wraca do pierwotnego kształtu. Cechuje się elastycznością i zachowuje ją w temperaturze –15°C. Rury chronione są przed dyfuzją tlenu powłoką EVOH. Trwałość PB przekracza 50 lat, co potwierdzają badania m.in. TEPPFA (największej organizacji producentów systemów rurowych w Europie) [1]. Rury w systemie PB o mniejszych średnicach można łączyć za pomocą złączek na wcisk (szybkozłączek), co przyspiesza i ułatwia prace montażowe i remontowe.

Nowoczesne techniki montażu systemów instalacyjnych

Dzięki nowym technikom połączeń (np. zaprasowywane, zaciskowe czy poprzez szybozłączki) maleje ryzyko popełnienia błędu, znacznie skraca się też czas montażu. Obecnie złączki i rury z tworzyw lub wielowarstwowe, a także stalowe czy miedziane oferuje się jako kompletne systemy – warunkiem prawidłowego wykonania i zachowania gwarancji jest przestrzeganie zaleceń producenta przy przygotowaniu rur czy montażu. Niektóre systemy instalacyjne zachowują gwarancję producenta tylko pod warunkiem zastosowania narzędzi przez niego oferowanych. Inne systemy można montować za pomocą dowolnego narzędzia, przestrzegając jednak zasad dotyczących np. profilu czy siły zacisku.

Zaprasowywanie to metoda połączeń rur i złączek poprzez zaciskanie specjalną zaciskarką, która deformuje (zaciska) złączki na odcinku z uszczelką, co powoduje stałe zespolenie z rurą lub armaturą. Króćce mają uszczelnienia typu o-ring wykonane z tworzywa odpornego na wysokie temperatury i ciśnienie, często z kauczuku etylenowo-propylenowego (EPDM). Rura powinna być równo ucięta, wykalibrowana i sfazowana wewnątrz, a na zewnątrz nie może mieć zadziorów. Po nałożeniu złączki na przewody nakłada się na nią odpowiednie szczęki zaciskarki i zaprasowuje. Czynność ta nie wymaga dużego doświadczenia, ale staranności – można wykonać ją tylko raz, gdyż połączenie jest nierozłączne. Niektórzy producenci oferują rozwiązania umożliwiające natychmiastową weryfikację prawidłowości zaprasowania złączki czy też wymuszające prawidłowe ułożenie szczęki zaprasowującej. Powstałe połączenie jest odporne na naprężenia i odkształcenia.

Połączenia na wcisk (szybkozłączki) to technologia pozwalająca na montaż rur o małych średnicach z miedzi, PEX i PB w łatwy i szybki sposób. Nie wymaga stosowania żadnych specjalnych narzędzi ani lutowania, spawania czy klejenia. Połączenie wykonuje się jednym ruchem, po stępieniu ostrych krawędzi rury i fazowaniu. Zębaty pierścień ze stali nierdzewnej umożliwia natychmiastowe połączenie z rurą i wykazuje bardzo duży opór w razie próby odłączenia. Proces instalacji przebiega zatem bardzo szybko. Technologia ta jest często stosowana w połączeniu ze złączkami zaprasowywanymi – instalacja główna łączona jest złączkami zaprasowywanymi, a rozgałęzienia na wcisk. Znacznie ułatwia to i przyspiesza montaż.

Połączenia zaciskowe przeznaczone są do rur wielowarstwowych opartych na polietylenie. Dostępne są różne rozwiązania – np. z zastosowaniem dwóch kluczy płaskich, specjalnych kombinerek z karbowanymi szczękami oraz przy użyciu ręcznej mechanicznej zaciskarki. Występują tu złączki z dodatkowym uszczelnieniem o-ring i rozwiązania, które dzięki odpowiedniej technologii złączki nie wymagają dodatkowych uszczelnień. Montaż jest nieskomplikowany, przy użyciu prostych narzędzi, ograniczający do minimum możliwość popełnienia błędu.

Połączenia skręcane to połączenia rozłączne, które w razie błędu można rozkręcić i poprawić, używając tej samej kształtki. Choć do wykonania potrzebne są tylko proste narzędzia – klucze płaskie – a wiele złączek ma gotowe uszczelki typu o-ring oferowane w różnych odmianach, jest to technika wymagająca doświadczenia. Znajdują one zastosowanie w montażu przewodów do grzejników i rozdzielaczy.

Dostępne techniki montażowe uzupełniają złączki przejściowe (adaptery), pozwalające na połączenie rur metalowych z wielowarstwowymi, np. podczas remontu instalacji. Adaptery mają liczne warianty, łączące różne techniki uszczelniania – np. skręcanie z zaciskaniem, zaprasowanie ze skręcaniem itd.

Izolacja przewodów instalacji grzewczych

Grzewcze instalacje rurowe metalowe, szczególnie te prowadzone na zewnątrz lub przez pomieszczenia nieogrzewane, powinny być wyposażone w izolację cieplną (w przypadku materiałów z tworzyw sztucznych lub warstwowych często sam materiał cechuje się odpowiednimi własnościami izolacyjnymi). Wymagania minimalne dla grubości materiału izolacyjnego instalacji rurowych grzewczych przy współczynniku przenikania ciepła λ wynoszącym 0,035 W/(m² · K) zależnie od średnicy wewnętrznej chronionej rury przedstawia rozporządzenie Warunki Techniczne dla budynków [2]:

• 20 mm dla średnicy wewnętrznej do 22 mm;
• 30 mm dla średnicy wewnętrznej od 25 do 35 mm;
• dla średnicy wewnętrznej od 35 do 100 mm grubość izolacji powinna być równa średnicy wewnętrznej.

W przypadku materiału o innym współczynniku przenikania ciepła λ₁ należy skorygować grubość według wzoru zawartego w normie PN-B-02421:2000 [3]:

gdzie:

e₁ – skorygowana grubość izolacji, mm;

e – grubość izolacji wymagana przez rozporządzenie, mm;

D – średnica zewnętrzna chronionej rury, mm;

λ₁ – współczynnik przenikania ciepła dla rzeczywistego materiału, W/(m² · K).

W przypadku monoblokowych pomp ciepła odpowiedniej izolacji wymagają rury wodne łączące urządzenie umiejscowione na zewnątrz z wewnętrzną instalacją grzewczą oraz fragmenty instalacji prowadzone przez pomieszczenia nieogrzewane. Brak izolacji cieplnej powoduje znaczne straty ciepła, a tym samym niższą sprawność pompy ciepła. W sytuacji prowadzenia przewodów w gruncie należy zastosować rury preizolowane. Dla rur prowadzonych przez ściany ważne jest zastosowanie materiału odpowiedniego do pracy na zewnątrz (np. kauczuku w osłonie z folii metalowej), o grubości odpowiedniej do średnicy wewnętrznej izolowanej rury. Jeśli w układzie zastosowano zawory spustowe antyzamrożeniowe, należy je koniecznie pozostawić bez izolacji (zarówno na zasilaniu, jak i na powrocie). Izolowanie tych zaworów uniemożliwia ich prawidłowe zadziałanie!

W przypadku pomp ciepła typu split najczęściej stosowane są elastyczne miedziane rury chłodnicze z odtlenionej miedzi o wysokiej zawartości fosforu z gotowym płaszczem izolacyjnym z zamkniętokomórkowej pianki polietylenowej (PE-LD), o temperaturze pracy od –30 do 95°C. Dla utrzymania własności tych rur bardzo istotne jest staranne wykonawstwo, umożliwiające m.in. zachowanie ciągłości warstwy izolacji – nie może ona ulegać zagięciu lub rozdarciu.

W przypadku instalacji solarnych zadaniem izolacji przewodów jest ograniczenie strat ciepła między kolektorem a zasobnikiem. Przewód solarny bez izolacji może wykazywać nawet 9-krotnie większe straty ciepła niż przewód izolowany [4]. Izolacje przeznaczone do przewodów instalacji solarnej muszą się cechować odpornością na tzw. przegrzanie – okresowy (np. podczas długiej przerwy w odbiorze ciepła z kolektora, w wyniku awarii pompy obiegowej, w wyniku braku prądu itp.) wzrost temperatury nawet do 150–200°C [2] – oraz na oddziaływanie środowiska zewnętrznego (warunki atmosferyczne, chłodzący wpływ wiatru, promieniowanie UV czy aktywność zwierząt, takich jak ptaki czy kuny). Najczęściej stosuje się tu kauczuki syntetyczne (elastomery o zamkniętej strukturze komórkowej, odporne na temperaturę ciągłą np. do 150°C, a chwilowo np. do 175°C). Cechują się one odpornością na wahania temperatury oraz dobrym współczynnikiem przewodzenia ciepła – zwykle ok. 0,035–0,045 W/(m · K). Są też wytrzymałe mechanicznie i trudno zapalne (klasa reakcji na ogień od BL-s1, d0 do BL-s3, d0). Najczęściej występują w formie otulin w kolorze szarym lub grafitowym o grubości 10–25 mm – do instalacji solarnych stosuje się zwykle grubość 12–13 mm wewnątrz budynków i 18–19 mm dla części przewodu biegnącej na zewnątrz. Mogą mieć podwyższoną wytrzymałość na oddziaływanie promieniowania UV, a w przypadku zastosowań zewnętrznych powinny być wyposażone także w dodatkowy płaszcz (folię ochronną).

Problem doborowy – średnica rury wodnej w monoblokowej pompie ciepła

Od pompy ciepła typu monoblok do budynku doprowadzane są rury wodne (zasilająca i powrotna) z wodą grzewczą. Ich dobór i wykonanie wpływa na faktyczną temperaturę wody grzewczej oraz wydajność instalacji. Rury takie mogą być wykonane z różnych materiałów, takich jak miedź, polipropylen, stal (w systemie zaciskowym), polibutylen i systemy PEX/AL/PEX. Jeśli medium grzewczym jest wodny roztwór glikolu, należy zastosować rurę przewidzianą do współpracy z glikolem o konkretnym stężeniu. Każde ze wskazanych rozwiązań materiałowych ma swoje zalety i ograniczenia, ale kluczowe jest zastosowanie przewodu o prawidłowej średnicy wewnętrznej. Choć instalatorzy i producenci pomp ciepła często posługują się średnicą zewnętrzną rur, dla obliczeń projektowych ważna jest właśnie średnica wewnętrzna, czyli rzeczywisty przekrój danej rury.

Między rurami o zbliżonej średnicy wewnętrznej, ale wykonanymi z różnych materiałów mogą występować duże różnice zalecanych średnic zewnętrznych. Widać to szczególnie przy porównaniu rur z metalu (stal, miedź) za rurami w systemie PEX/AL. Wynika to z dużych różnic między grubościami ścianek przewodów. Przykładowo dla średnicy wewnętrznej 18 mm:

• grubość ścianki rury miedzianej wynosi 1 mm (średnica zewnętrzna: 20 mm);
• grubość ścianki rury PP wynosi 3,5 mm (średnica zewnętrzna: 25 mm).

Dodatkowo w systemach z tworzyw sztucznych oraz rur warstwowych na kształtkach (głównie kolanach) występują duże przewężenia wpływające na zwiększenie oporów przepływu. Dlatego w przypadku tych systemów zalecana średnica zewnętrzna jest największa. Producenci pomp ciepła w instrukcjach montażu często podają średnice rur odpowiednie dla danej wielkości urządzenia, z rozróżnieniem na poszczególne materiały.

Problem montażowy – przedwczesna korozja złączek

Jednym z problemów związanych z systemami instalacji grzewczej jest korozja elektrochemiczna, której ryzyko jest szczególnie istotne w instalacjach wysokotemperaturowych. Zaleca się wykonywanie instalacji grzewczej z jednorodnego materiału, a jeśli to niemożliwe, należy stosować odpowiednie połączenia. Na przykład istniejącą instalację z rur stalowych można połączyć z nową instalacją miedzianą tylko za pomocą złączek wykonanych z brązu, uszczelniając je dodatkowo tzw. przekładką dielektryczną wykonaną np. z taśmy teflonowej. Warto także stosować w instalacji odpowiedni inhibitor korozji.

Należy wykluczyć złączki ze stali ocynkowanej (szczególnie w przypadku systemów o temperaturze medium powyżej 60°C czy w grupach pompowych). Złączki żeliwne ocynkowane zamontowane wewnątrz instalacji miedzianej albo za nią (idąc z kierunkiem przepływu wody) stają się ogniskiem korozji elektrochemicznej ze względu na powstanie ogniwa elektrochemicznego cynk/miedź. Rozpuszczaniu ulegać będzie warstwa cynku, co oznacza korozję samej złączki, ale też negatywny wpływ na instalację. Możliwe staje się też odwrócenie potencjałów i korozja miedzi.

Natomiast jeśli instalacja składa się z rur warstwowych, a woda grzewcza zawiera dwutlenek węgla, nie należy stosować złączek mosiężnych – powstający kwas węglowy może powodować ich uszkodzenie. Dobrym wyborem są złączki z tworzyw sztucznych, np. z trwałego tworzywa PPSU (polisulfon) lub PVDF (polifluorek winylidenu). Przy ich wyborze należy się kierować nie tylko tym, że należą do systemu producenta, ale też jakością wody w instalacji.

Problem remontowy – wymiana rur zimą

Wymiana lub remont instalacji grzewczych wymaga odpowiedniego przygotowania – w sezonie grzewczym spuszczenie wody z instalacji jest problematyczne, dlatego stosuje się zamrażanie rur grzewczych. Zamrażarki do rur w ciągu kilku minut powodują powstanie w rurze korka (czopu) lodowego o długości kilku centymetrów. Zamarznięta w rurze woda wytrzymuje wysokie ciśnienie. Zamarzając, woda zwiększa objętość, co powoduje mocne dociśnięcie korka lodowego do wewnętrznej ścianki rury. W tym czasie instalacja pracuje normalnie, z wyłączeniem opracowywanego odcinka.

Na rynku dostępne są zamrażarki elektryczne i gazowe. Elektryczne wyposażone są w obieg chłodniczy oparty na czynniku chłodniczym (syntetycznym, a ostatnio propanie – R290). Parownik, w którym czynnik chłodniczy osiąga temperaturę nawet poniżej –30°C, pełni jednocześnie funkcję zacisku zakładanego na rurę. Miejscowe oddziaływanie niskiej temperatury powoduje lokalne zamrożenie strumienia wody w ciągu kilku lub kilkudziesięciu minut. Czas ten zależy przede wszystkim od średnicy rury, można go skrócić dzięki poprawieniu wymiany ciepła poprzez zastosowanie opasek izolacyjnych i past lub płynów przewodzących. Zamrażarkę, jako urządzenie jednofazowe, na czas pracy podłącza się po prostu do źródła prądu.

Działanie zamrażarek gazowych opiera się na odparowaniu dwutlenku węgla podawanego z butli. Na rurę zakłada się głowice mrożące połączone przewodami z butlą zawierającą gaz. Do głowicy mrożącej przepływają pary czynnika o temperaturze –79°C (temperatura parowania CO₂). Powodują one powstanie korka lodowego w ciągu kilku minut. Dodatkowo na zewnętrznej ściance rury powstaje tzw. suchy lód – dwutlenek węgla w stanie stałym. Szybkość mrożenia jest ok. dwukrotnie większa niż zamrażarek elektrycznych (jeden z producentów podaje 5 minut dla rury stalowej o średnicy 3/4”). Ma to szczególne znaczenie w przypadku rur o większych średnicach. Zamrażarki gazowej nie trzeba podłączać do źródła prądu elektrycznego, ale w sposób ciągły zużywa ona gaz. Wymaga to wymiany butli, a podczas długotrwałych prac należy dysponować uch większym zapasem.

Zamrażarki mogą być przeznaczone do rur z różnych materiałów, także cienkościennych. Mogą to być rury miedziane i stalowe o średnicach od 1/8 do 2″, miedziane o średnicach 10–60 mm, a także rury z tworzywa sztucznego oraz wielowarstwowe. Ponieważ są to urządzenia stosunkowo kosztowne, jeśli potrzebne są doraźnie, nie trzeba ich kupować – można skorzystać z oferty firmy specjalizującej się w takiej usłudze lub wypożyczalni sprzętu budowlanego i instalacyjnego.

Zamrażanie rur wymaga zaworu odcinającego i odpowiedniego odcinka rury – zawór odcinający (najczęściej zawór termostatyczny w grzejniku) umożliwia odcięcie danego odcinka przewodu, a długi prosty odcinek (co najmniej 10 cm) pozwala założyć zaciski lub głowice mrożące. W niektórych sytuacjach rura na zasilaniu i powrocie grzejnika wciąż może się okazać zbyt krótka – wówczas z techniki zamrażania rur nie można skorzystać.

Literatura

1. TEPFFA, Environmental Product Declaration. Polybutene (Pb-1) Pipe System for hot and cold water in the building, Brussels 2020

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2022, poz. 1225)

3. PN-B-02421:2000 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń. Wymagania i badania odbiorcze

4. Ryńska Joanna, Izolacje instalacji solarnych, „Rynek Instalacyjny” 6/2021, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/panele-fotowoltaiczne-fotowoltaika/106103,izolacje-instalacji-solarnych 

5. Materiały techniczne firm: Armacell, Dedra, Diamond, Entalpia Europe, Fernox, Geberit, HEATPEX, K-Flex, KAN, Milwaukee, Nueva Terrain, Paroc, Perfexim, REMS, Rockwool, Rothenberger, Taconova , Thermaflex, Viega, Virax, Wavin