Niedogrzewanie grzejników w instalacjach ogrzewczych

Użytkownik zwykle wini za złe ogrzewanie pomieszczenia grzejnik, bo jest on „za mały”. Często utwierdzają go w tej ocenie hydraulicy, którzy zarabiają na wymianie urządzeń. Podobne błędy popełniane są również w remontowanych instalacjach. Chętnie wymienia się istniejące grzejniki żeliwne członowe na urządzenia stalowe płytowe, gdyż są bardziej „nowoczesne”. Nieprzemyślane przeróbki instalacji ogrzewczej w większości przypadków nie przynoszą spodziewanych efektów cieplnych, gdyż przerabiający ją rzemieślnicy nie są świadomi skutków dokonywanych zmian. Przy zamianach starych elementów instalacji (grzejników, zaworów) nie uwzględnia się ich różnych charakterystyk oporów, a nowe elementy mogą mieć większe opory hydrauliczne.

Poniżej przeanalizowano, jak kształtują się opory przepływu hydraulicznego czynnika grzewczego w grzejnikach i ich uzbrojeniu, gdyż to od nich w znacznym stopniu zależy rozdział tego czynnika w instalacji. Do analizy przyjęto powszechnie stosowaną instalację dwururową wodną w układzie pompowym o parametrach wody 90/70°C.

Charakterystyka hydrauliczna grzejników

Opór hydrauliczny wody przepływającej przez grzejnik jest zależny od jego budowy i strumienia objętości wody, który jest wyznaczany na podstawie mocy cieplnej grzejnika i obliczeniowych temperatur czynnika ogrzewczego. Wartość oporu hydraulicznego żeliwnego grzejnika członowego wyznaczono ponad 100 lat temu. Ustalony współczynnik oporu ς = 3 [1] odniesiony został do średnicy wewnętrznej gałązki zasilającej i nie jest zależny od liczby członów, z których grzejnik się składa.

Większość grzejników stosowanych w pomieszczeniach ma moc cieplną w zakresie 500–1880 W, średnica gałązki wynosi dla nich DN 15 mm. W okresie, kiedy wyznaczano współczynnik oporu miejscowego dla grzejników, w instalacji ogrzewczej nie stosowano mniejszej średnicy gałązki. Wewnętrzna średnica rury wynosiła dw = 15,75 mm, dla tej wartości wyznaczono zatem współczynnik ς. Wyliczone dla powyższych wartości straty ciśnienia w grzejniku żeliwnym dwuczłonowym w zależności od jego mocy cieplnej pokazano na krzywej 1 (rys. 1).

Grzejniki stalowe płytowe zastosowano w instalacjach ogrzewczych znacznie później, bo ok. 1970–75 r. Mają one inną budowę oraz większy opór przepływu wody. Dla powszechnie stosowanych grzejników stalowych dwupłytowych typu Purmo C-22 firmy Rettig opór przepływu wody określa się wzorem [5]:

Straty ciśnienia w grzejniku stalowym dwupłytowym wyliczone na podstawie powyższego wzoru podano na krzywej 2 (rys. 1).

Z porównania strat ciśnienia w urządzeniach żeliwnych i stalowych wynika, że grzejniki stalowe mają ponad 3,5-krotnie większą oporność przepływu. Należy to uwzględnić przy wymianie grzejników żeliwnych na stalowe, zwłaszcza w instalacjach ogrzewczych grawitacyjnych.

Straty ciśnienia w zaworach grzejnikowych

Zadaniem zaworów grzejnikowych jest regulacja dopływu wody ogrzewczej do grzejnika lub całkowite jej odcięcie. W praktyce stosuje się zawory zwykłe (proste lub kątowe), termostatyczne oraz kulowe.

Tradycyjne zawory grzejnikowe (dwunastawne), do niedawna stosowane powszechnie, służą do bieżącej regulacji dopływu wody do grzejnika oraz do regulacji wstępnej dopływu, której dokonuje się podczas rozruchu instalacji. Straty ciśnienia w zaworze tradycyjnym określa się również na podstawie wyznaczonego badaniami współczynnika oporu miejscowego ς. Wartość ς = 8,5 [6] wyznaczona została dla średnicy DN 15 i d_w = 15,75 mm, na rys. 2 podano dla niej wielkość strat ciśnienia w uzbrojonych grzejnikach żeliwnych i stalowych.

Termostatyczne zawory grzejnikowe zastosowano w Polsce po 1980 r. Umożliwiają one regulację hydrauliczną instalacji grzewczej i regulację temperatury powietrza w pomieszczeniu. Opór przepływu wody w zaworze określa się za pomocą współczynnika przepływu KvN, wyznaczanego dla całkowicie otwartego zaworu (z nastawą regulacyjną ustawioną na literze N). W zależności od średnicy zaworów i ich konstrukcji wewnętrznej mają one zróżnicowaną oporność przepływu. Jej charakterystykę podano w publikacji [3].

Aby można było porównać zawory grzejnikowe zwykłe z termostatycznymi, podane dla zaworów termostatycznych wartości współczynników przepływu KvN należy przeliczyć na wartości współczynników oporów miejscowych ς (wzór również podano w [3]). Przy przeliczaniu uwzględniano jedynie zawory DN 15 oraz średnicę wewnętrzną rury stalowej d_w = 15,75 mm. Wartości przeliczeniowe współczynników przepływu K_vN na współczynniki oporów miejscowych ς wynoszą:

• dla zaworów termostatycznych standardowych K_vN = 0,55–0,9 m³/h: ς = 325–121 (w odniesieniu do zaworu zwykłego ς = 8,5 są to wartości 38–14-krotnie większe),
• dla zaworów termostatycznych stosowanych w ogrzewaniach grawitacyjnych (o zwiększonej przepustowości) K_vN = 2,5–4,7 m³/h: ς = 15,7–4,5 (wartość bardziej zbliżona do ς = 8,5),
• dla zaworów kulowych, stosowanych obecnie również przy grzejnikach, zwłaszcza na gałązkach powrotnych, w publikacji [4] podano zakres K_vN = 7–13 m³/h, co odpowiada wartości ς = 0,2–0,7.

Zawory zwykłe mają zatem znacznie niższe opory przepływu od termostatycznych.