Długoletnia i praca urządzeń grzewczych, które stają się coraz bardziej wyrafinowane pod względem technicznym, w dużym stopniu zależy od warunków eksploatacji. Jednym z ważniejszych kryteriów jest tu odpowiednia jakość czynnika grzewczego, czyli wody, którą napełniony jest system.

Kwestia ta nabiera szczególnego znaczenia, gdy uświadomimy sobie, jak wiele różnych metali wykorzystuje się obecnie w instalacjach – może to być żelazo, stal szlachetna, aluminium oraz miedź i jej stopy, oraz jak różne mają one właściwości i reakcje na substancje, które mogą być zawarte w wodzie. Brak dbałości o jakość wody często oznacza nie tylko znacząco wyższe rachunki za ogrzewanie, ale i konieczność wymiany uszkodzonych elementów systemu czy urządzenia grzewczego. Przyjrzyjmy się zatem głównym winowajcom odpowiedzialnym za potencjalne szkody oraz zaleceniom służącym ich eliminacji.

Kamień kotłowy
W wodzie wodociągowej rozpuszczone są różne związki chemiczne, w tym: chlorki, siarczany oraz węglany wapnia i magnezu, które pod wpływem podwyższonej temperatury powodują korozję lub ulegają wytrąceniu i osadzają się na gorących elementach urządzeń grzewczych w postaci kamienia kotłowego. Kamień ten składa się głównie z węglanów wapnia CaCO₃ i węglanów magnezu MgCO₃ oraz, w mniejszym stopniu, z siarczanu wapnia CaSO₄, wodorotlenku żelaza Fe(OH)₃ i krzemionki SiO₂.

Kamień kotłowy słabo przewodzi ciepło, co na początku powoduje „tylko” obniżenie sprawności wymiany ciepła. Przy grubości warstwy kamienia 0,5 mm, straty są na poziomie około 5%, przy grubości 1 mm – wzrastają powyżej 10%, a przy grubości 3 mm – sięgają 20%. Jednak to nie jedyne straty, jakie może powodować kamień.

Dłuższa eksploatacja urządzeń grzewczych w warunkach sprzyjających osadzaniu się kamienia kotłowego, prowadzi do lokalnego przegrzewania się elementów wymiennika ciepła (odgłosy wrzenia) i w konsekwencji – jego uszkodzenie (przegrzanie i szok termiczny na skutek napływu zimnej wody).

! Dopuszczalna grubość warstwy kotłowego na ściankach kotłów stalowych czy żeliwnych to 0,5 mm. Powyżej tej wartości producenci zalecają już chemiczne czyszczenie wymiennika kotła.

W 1 m³ wody twardej (20° dH/3,56 mmol/l) znajduje się około 360 g węglanu wapnia, głównego składnika kamienia kotłowego. Ilość ta pozwala – przy całkowitym wytrąceniu węglanu wapnia – na pokrycie 0,25 m² powierzchni warstewką kamienia grubości 0,5 mm. Niby nie jest to dużo, ale oglądając zarośnięte kamieniem kotłowym rury i wymienniki ciepła, możemy sobie dzięki temu wyobrazić, ile wody musiało zostać dopuszczone do instalacji grzewczej w ciągu jej „życia”.

Kamień kotłowy, odpadający w formie łusek lub wytrącający się w postaci miałkiego piasku, wraz z innymi zanieczyszczeniami osadzają się w miejscach spowolnionego przepływu (często jest to wymiennik kotła) lub w miejscach zmiany kierunku przepływu. Powoduje to przewężenie przepływu i generuje wyższe nakłady energii na wymuszenie przepływu w instalacji przez pompy obiegowe.

Korozja i jej rodzaje
Korozja elektrochemiczna. Kolejnym zagrożeniem dla urządzeń grzewczych i elementów instalacji są sole zawarte w wodzie, sprawiające, że przewodzi ona prąd. Instalacja grzewcza narażona jest w związku z tym na tzw. korozję elektrochemiczną spowodowaną obecnością elektrolitu, w tym wypadku – wody grzewczej, który umożliwia przepływ prądu. Całkowite wyeliminowanie tego typu korozji w instalacjach grzewczych jest niemożliwe, należy jednak zrobić wszystko, by ją spowolnić.

Najważniejszymi czynnikami decydującymi o szybkości korozji elektrochemicznej są: zawartość tlenu w wodzie, jej odczyn pH oraz jej przewodność.

Korozja tlenowa. Elementy stalowe instalacji grzewczej narażone są również na tzw. korozję tlenową. Jeżeli zawartość tlenu w wodzie jest wysoka, może powstać najbardziej popularny hematyt Fe₂O₃ – w postaci czerwono brązowych łusek lub proszku. W przypadku mniejszej zawartości tlenu, dochodzi do niezupełnego utlenienia i powstaje magnetyt Fe₃O₄ – w postaci czarnego proszku, który lubi osadzać się w wirnikach nowoczesnych pomp obiegowych wyposażonych w magnesy neodymowe. Z tego względu obecnie zalecane są wyłącznie instalacje typu zamkniętego.Korozja bimetaliczna (kontaktowa). To kolejny rodzaj korozji, z jakim możemy się spotkać w instalacji grzewczej. Dochodzi do niej wówczas, gdy w instalacji zastosowano blisko siebie materiały o znacząco różnych potencjałach elektrochemicznych (np. miedź i aluminium) i pozostają one w stałym kontakcie z elektrolitem (wodą grzewczą). Z powodu różnicy potencjałów, w elektrolicie następuje przepływ prądu zasilany materiałem metalu mniej szlachetnego (o niższym potencjale elektrochemicznym).

W przypadku aluminium oraz innych metali przed korozją bimetaliczną chroni utrzymywanie właściwego odczynu pH wody grzewczej (na poziomie 8,2-9). Dzięki temu na aluminium utrzymuje się warstwa pasywna, a przewodność wody jest ograniczona, co minimalizuje przepływ prądu.

Co jest podstawą wymagań dotyczących jakości wody?
Aby zapobiec ewentualnym uszkodzeniom urządzeń grzewczych oraz instalacji, wodę przeznaczoną do jej napełniania poddaje się dodatkowej obróbce polegającej na usunięciu związków wapnia i magnezu (zmiękczanie) czy też wszystkich soli (demineralizacja). Do wody grzewczej dodaje się również substancje chemiczne – mające zapobiegać korozji, osadzaniu się kamienia, rozwojowi bakterii czy też zamarznięciu instalacji. Wymagania w tym zakresie są oparte na odpowiednich wytycznych branżowych lub normach.

Wytyczne branżowe. Obecnie najbardziej popularnymi wytycznymi w zakresie jakości wody w instalacjach są wytyczne stowarzyszenia niemieckich inżynierów VDI (Verein Deutscher Ingenieure), oznaczone jako VDI 2035, w tym:

• arkusz 1 – „Unikanie uszkodzeń w instalacjach c.w.u. oraz grzewczych – osadzanie się kamienia w instalacjach podgrzewania wody pitnej i ciepłej wody użytkowej”,
• arkusz 2 –„Unikanie uszkodzeń w instalacjach c.w.u. oraz grzewczych – korozja po stronie wodnej”,
• arkusz 3 – „Zapobieganie uszkodzeniom w instalacjach c.w.u. oraz grzewczych – korozja po stronie spalin”.

Jak widać, instalacji grzewczych zasadniczo dotyczą arkusze 1 i 2. Pierwsze wydanie arkusza VDI 2035-1 miało miejsce w 2005 r. (aktualizacja – w 2021 r.), a podstawą opracowania były wnikliwe badania i wieloletnie doświadczenia. W niektórych krajach arkusze VDI 2035 zostały przyjęte jako normy krajowe i przywoływane są w instrukcjach eksploatacji przez większość producentów urządzeń grzewczych.

Polskie normy. W Polsce do 2010 r. obowiązywała norma PN-85/C-04601 „Woda do celów energetycznych. Wymagania i badania jakości wody dla kotłów wodnych i zamkniętych obiegów ciepłowniczych”. Została ona zastąpiona normami:

• PN-93/C-04607 „Woda w instalacjach ogrzewania. Wymagania i badania jakości wody” oraz
• PN-EN:2006:12952-12, część 12 „Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej i wody kotłowej”.

Przeglądając wymagania producentów urządzeń grzewczych odnośnie do jakości wody, można zauważyć, że w Polsce, niezależnie od funkcjonowania polskich norm, to właśnie wytyczne VDI 2035 stanowią podstawę wymagań formułowanych w dokumentacji technicznej urządzeń – podobnie jak ma to miejsce w innych krajach. Dlatego w dalszej części artykułu skupimy się na wytycznych VDI 2035.
Kryteria wody określone w VDI 2035
Woda w instalacji grzewczej, jak również ta użyta do napełniania i uzupełniania zładu, powinna spełniać odpowiednie kryteria. Przedstawia je tabela 1, zgodnie z wytycznymi VDI 2035, arkusz nr 1 z marca 2021 r. Poniżej pokrótce omówię główne części tabeli i parametry wody, które tam występują.

Twardość całkowita. Twardość wody, określana jako suma pierwiastków ziem alkalicznych, to najważniejszy parametr w przypadku wody, której używa się do napełniania instalacji, ponieważ im wyższa jest twardość wody, tym więcej do instalacji wprowadza się substancji odpowiedzialnych za tworzenie się kamienia kotłowego. Według nowych wytycznych VDI 2035, w zależności od mocy źródła ciepła i od pojemności właściwej instalacji grzewczej, podane są dopuszczalne wartości twardości dla wody, której użyjemy do napełniania instalacji oraz do uzupełniania ubytków. Przypadek ten (górna część tabeli 1) odnosi się przede wszystkim do uzdatniania wody w procesie zmiękczania.

Przewodność wody. Na przewodność wody mają wpływ wszystkie jony w niej rozpuszczone. Im wyższa jest przewodność wody, tym szybciej postępują procesy korozyjne. Wytyczne VDI 2035 przewidują dwa tryby pracy instalacji grzewczej w zależności od przewodności wody:

• przy niskiej zawartości soli przewodność wody w instalacji grzewczej mieści się w przedziale > 10 ÷ ≤ 100 [μS/cm] – ten przypadek dotyczy uzdatniania wody poprzez jej demineralizację; demineralizując wodę, usuwamy z niej także związki odpowiedzialne za powstawanie kamienia kotłowego;
• przy zawartości soli przewodność wody w instalacji grzewczej mieści się w przedziale > 100 ÷ ≤ 1500 [μS/cm] – ten przypadek dotyczy uzdatniania wody poprzez jej zmiękczenie.

Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na problem, jaki będzie występował z kotłami wykonanymi z aluminium i jego stopów. Aluminium ma bowiem najniższy potencjał ze wszystkich metali powszechnie stosowanych w instalacji grzewczej, co ilustruje tabela 2 oraz rys. 2. Gdy w instalacji z kotłem wykonanym z aluminium i jego stopów występuje jeszcze wiele innych materiałów, to właśnie aluminium, jako materiał o najniższym potencjale elektrochemicznym, ulegnie uszkodzeniu (korozja bimetaliczna). Jedyną metodą uzdatniania wody w tym przypadku jest jej demineralizacja, która zapewni niską przewodność.

W tabeli 3 podane są typowe wartości przewodności elektrycznej różnych rodzajów wody przy pomiarze w temperaturze 25°C. Przewodność wody zmienia się wraz z jej temperaturą.Wartość pH. Rozmaite materiały, z jakich wykonane jest źródło ciepła i instalacja grzewcza, mają różne zalecenia w zakresie bezpiecznej wartości pH wody. Związane jest to ze zjawiskiem pasywacji, czyli z wytworzeniem się na powierzchni metalu pasywnej, szczelnej warstwy tlenków metalu, która chroni go przed dalszym utlenianiem/ korozją. Warstwa tlenków podwyższa potencjał standardowy metalu – np. żelazo w stanie czystym ma potencjał -0,44 V, a warstwa tlenków ma potencjał 10 razy mniejszy: -0,04 V. Zakresy pasywności dla różnych metali stosowanych w instalacjach oraz zalecane dla nich wartości odczynu pH wody grzewczej podane są w tabeli 4.! Jak pokazują dane zawarte w tabeli 4, tylko w wąskim zakresie wartości pH odczyn wody jest właściwy dla wszystkich metali stosowanych w instalacjach. Według VDI 2035 jest to 8,2 ÷ 9,0 (odczyn lekko zasadowy). Często dla zachowania właściwego odczynu pH i powstrzymania korozji stosowane są zatem dodatki do wody w postaci inhibitorów.

Przy okazji należy wspomnieć, że wartość pH wody spada wraz ze spadkiem jej temperatury. Woda neutralna w temperaturze 25°C (pH 7), po podgrzaniu jej do temperatury 60°C, będzie już lekko kwaśna (pH 6,5). Wartość pH wody zmienia się także w czasie eksploatacji instalacji grzewczej.

I jeszcze jedna uwaga – czasem niektórzy właściciele domów jednorodzinnych wpadają na „świetny” pomysł, by swoją instalację napełnić deszczówką, ponieważ jest „miękka”. Jak widać z wykresu na rys. 3 nie jest to dobre rozwiązanie, ponieważ woda taka ma odczyn kwaśny.Kiedy można odstąpić od uzdatniania wody?
W niektórych instalacjach zawartość wody jest na tyle mała, że producenci pozwalają na brak uzdatniania wody napełniającej. Może to dotyczyć mniejszych instalacji, gdy dodatkowo w wodzie, którą instalacja ma być wypełniona, jest mała ilość substancji mogących tworzyć kamień lub powodować zjawiska korozyjne. Aby instalator mógł ocenić, czy woda przeznaczona do danej instalacji wymaga uzdatnienia, czy nie, producenci udostępniają odpowiednie wykresy – jak np. ten na rys. 4.Według zaprezentowanego wykresu, dla zładu o pojemności 1,5 m³ napełnionego wodą o twardości 12°dH oraz dla źródła ciepła o mocy 150 kW nie występuje potrzeba uzdatniania wody do napełniania instalacji, a konkretnie w tym przypadku – jej demineralizacji (bo materiałem chronionym jest aluminium). Wynika to z tego, że wspólny punkt dla wskazanych współrzędnych (objętości zładu oraz pH wody) znajduje się pod krzywą wyznaczoną dla źródła ciepła wykonanego z aluminium i jego stopów o mocy 150 kW.

! Bardzo ważnym warunkiem odstąpienia od demineralizacji jest jednak to, że woda ta nie zostanie spuszczona z kotła przez całe jego techniczne życie. W razie konieczności spuszczenia i wymiany wody, kolejne napełnienie musi być bezwzględnie wykonane przy użyciu wody zdemineralizowanej.

Oszacowanie pojemności instalacji. Jak wspomniałem, pojemność instalacji grzewczej ma wpływ na ilość zawartych w wodzie substancji mogących powodować problemy. Jeżeli nie mamy dokładnych danych dotyczących pojemność wodnej instalacji, to możemy ją oszacować na podstawie orientacyjnych współczynników. Są one następujące:

• kotły kondensacyjne – 0,15 l/kW,
• pompy ciepła – 0,3 l/kW,
• kotły żeliwne – 0,5 l/kW,
• kotły stalowe – 4 l/kW,
• grzejniki konwekcyjne – 6,5 l/kW,
• radiatory – 12 l/kW,
• grzejniki płytowe – 19 l/kW,
• ogrzewanie podłogowe – 24 l/kW.

Zgodnie z klasyfikacją VDI, urządzenia grzewcze o pojemności ≤ 0,3 l/kW to urządzenia o małej pojemności wodnej. Szacuje się, że obecnie ponad 95% sprzedawanych urządzeń grzewczych zalicza się do tej kategorii.

Uzdatnianie wody
Demineralizacja. Polega ona na usunięciu z wody wszystkich składników powodujących jej twardość (związki wapnia, magnezu) oraz związków powodujących korozję (np. chlorki). Służą do tego celu urządzenia, w których wykorzystuje się złoża jonowymienne ze złożem mieszanym (na różne jony) lub których działanie oparte jest na zjawisku odwróconej osmozy.

Zasadniczo woda poddana demineralizacji powinna mieć przewodność ≤ 10 μS/cm. Po napełnieniu instalacji, w okresie pierwszych 2-3 tygodni, woda wyłapuje jednak z instalacji różne związki, zwiększając wartość przewodności. W końcu jej stan stabilizuje się i wówczas nie powinna mieć ona większej przewodności niż 100 μS/cm. Jeżeli po około miesiącu od napełnienia okaże się, że przewodność wody jest wyższa, oznacza to, że instalacja nie została przed napełnieniem dobrze wypłukana lub cały czas zalega w niej warstwa kamienia kotłowego oraz złogi innych zanieczyszczeń. Zazwyczaj ma to miejsce w starych instalacjach, po wymianie starego kotła na nowy, kondensacyjny, wykonany ze stopów aluminium.

! Czasami proces płukania instalacji należy powtórzyć kilkukrotnie. Można też zastosować urządzenia do demineralizacji, w których przewodność wody w instalacji monitorowana jest na bieżąco i w razie przekroczenia wartości dopuszczalnych, woda kierowana jest na blok demineralizacji.

Alternatywnym sposobem pozyskania wody zdemineralizowanej jest jej zakup, np. w przedsiębiorstwie ciepłowniczym lub innym zakładzie przemysłowym dysponującym urządzeniami do odwróconej osmozy.

Zmiękczanie. Ten proces zapewnia usunięcie z wody związków powodujących powstawanie kamienia kotłowego – takich jak jony wapnia i magnezu, czyli tzw. sumy metali ziem alkalicznych – oraz zastąpienie ich jonami sodu. Zmiękczanie może być całkowite lub częściowe, przy czym:

• zmiękczanie całkowite polega na usuwaniu wszystkich jonów odpowiedzialnych za postawanie kamienia, do twardości ≤ 0,3°dH/0,05 mol/m^3;
• zmiękczanie częściowe polega zazwyczaj na mieszaniu całkowicie zmiękczonej wody z wodą surową; wartość proporcji zmieszania można ustawić na głowicy urządzenia do zmiękczania.

Zmiękczanie generalnie nie jest zalecane dla źródeł ciepła wykonanych z aluminium i jego stopów.

Inhibitory korozji i inne dodatki. W praktyce często stosowane są również specjalne dodatki do wody grzewczej, np. jako uzupełnienie zmiękczania. Mogą to być tzw. inhibitory korozji. Ich zadaniem jest utworzenie na powierzchni metalu ochronnej warstwy pasywacyjnej tlenków – są to inhibitory anodowe, lub wytrącenie substancji korozyjnych w postaci nierozpuszczalnych osadów – tak działają inhibitory katodowe. Stosowane są również inhibitory mieszane. Warto pamiętać, że inhibitory zalecane są raczej do nowych i czystych instalacji, pozbawionych ognisk korozji i osadów kamienia kotłowego.

W instalacjach wykorzystuje się również preparaty przeciwzamrożeniowe, zazwyczaj wyprodukowane na bazie glikoli z odpowiednimi dodatkami (m.in. inhibitorami) antykorozyjnymi. Powinny być one stosowane zgodnie z instrukcją producenta. Samodzielne przygotowywanie roztworów glikolu obarczone jest ryzykiem otrzymania płynu o kwaśnym, a więc szkodliwym dla instalacji odczynie pH.

Ochrona przed skażeniem – na styku instalacji grzewczej i wodociągowej
Zgodnie z normą PN-EN 12828 „Instalacje ogrzewcze w budynkach”, połączenie instalacji grzewczej z wodociągową powinno zapobiegać przepływowi zwrotnemu (p. 4.7.5). Zabezpieczeniem takim absolutnie nie jest zwykły zawór zwrotny, ponieważ nie gwarantuje właściwej separacji.

W zależności od kategorii płynu (wody), jakim może być skażona woda wodociągowa (patrz ramka obok), stosuje się różne typy zaworów antyskażeniowych. Są one sklasyfikowane w 8 głównych rodzinach (A, B, C, D, E, G, H, L) z różnymi wariantami. W praktyce instalatorskiej najczęściej spotykamy się z zaworami typu:

• EA – zawory antyskażeniowe z możliwością nadzoru, najprostsze pod względem konstrukcyjnym; są stosowane np. na przyłączu do domu jednorodzinnego;
• CA – izolatory przepływów zwrotnych bez możliwości nadzoru, które są stosowane do płynów kategorii 3;
• BA – izolatory przepływów zwrotnych ze strefą obniżonego ciśnienia z możliwością nadzoru, które są przeznaczone dla płynów kategorii 4; są to konstrukcje bardzo wyrafinowane i skomplikowane.

Warto przy okazji dodać, że zgodnie z rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych*, sieć wodociągowa na styku z instalacją wodną w domu również musi być chroniona. Wymagania w tym zakresie są następujące:

Par. 113, ust. 7: Instalacja wodociągowa powinna mieć zabezpieczenia uniemożliwiające wtórne zanieczyszczenie wody, zgodnie z wymaganiami dla przepływów zwrotnych, określonymi w Polskiej Normie dotyczącej projektowania instalacji wodociągowych.

(...) Par.115, ust. 2: Za każdym zestawem wodomierza głównego od strony instalacji należy zainstalować zabezpieczenie, o którym mowa w par.113, ust. 7.

Połączenie instalacji wodociągowej i grzewczej obwarowane jest zatem przepisami i normami mającymi zapobiec skażeniu wody wodociągowej. Warto mieć to na uwadze, gdy projektuje się bądź wykonuje jedną czy drugą instalację.

! Najlepszym rozwiązaniem jest wykonanie połączenia w formie odłączalnego węża elastycznego, jednak z zamontowanym od strony wewnętrznej instalacji wodnej zaworem antyskażeniowym. To na wypadek, gdyby podczas napełniania w sieci wodociągowej spadło ciśnienie poniżej ciśnienia w instalacji grzewczej i woda grzewcza miałaby skazić wodociąg.

Jak prawidłowo napełniać instalację grzewczą?
Jak wspomniałem, aby bezpiecznie napełnić instalację grzewczą, powinno się ją połączyć z instalacją wodociągową wężem elastycznym. Gdy napełnianie związane jest tylko z uzupełnieniem zładu wody (przypadek zbyt niskiego ciśnienia), to uprzednio należy koniecznie sprawdzić, czy ciśnienie w instalacji wodociągowej jest wyższe niż w instalacji grzewczej. Jeżeli jest ono niższe, to przy braku zaworu antyskażeniowego dojdzie do skażenia instalacji wodociągowej wodą z instalacji grzewczej.

Kolejne czynności związane z napełnianiem instalacji powinny przebiegać następująco:

• przed napełnieniem instalacji maksymalnie otwiera się zawory termostatyczne na grzejnikach, a także odpływ powietrza z automatycznych zaworów odpowietrzających;
• jeżeli jest to pierwsze napełnianie instalacji, wyłącza się pompy obiegowe zewnętrzne oraz zabudowane w urządzeniach grzewczych;
• do instalacji grzewczej i wodociągowej podłącza się przepłukany (tak na wszelki wypadek) elastyczny wąż;
• przy uzupełnianiu zładu warto też rozważyć odpowietrzenie węża – w tym celu jego końcówkę przy instalacji grzewczej pozostawia się lekko niedokręconą, owija się ją szmatką, następnie minimalnie odkręca się zawór od strony sieci wodociągowej, a kiedy z niedokręconej końcówki węża przestanie uchodzić powietrze i zacznie wypływać woda, zamyka się zawór i dokręca mocniej połączenie węża;
• instalację napełnia się wodą powoli, tak by nie powstały zasyfonowania i całe powietrze miało szansę wydostać się z niej przez odpowietrzniki;
• po napełnieniu instalacji odłącza się i zdejmuje wąż.

Powyższy artykuł na pewno nie wyczerpał zagadnień związanych z jakością wody w instalacji grzewczej. Mam jednak nadzieję, że przypomniał o ważnych aspektach, które należy uwzględnić na etapie projektowania, budowy i eksploatacji systemów grzewczych. W końcu: Repetitio mater studiorum est.

* Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690 z 2002 r., wraz z późn. zm.).