W artykule omawiam termostatyczne zawory mieszające do instalacji ciepłej wody użytkowej – z punktu widzenia pełnionych przez nie funkcji i konkretnych zastosowań. Przedstawiam możliwe warianty lokalizacji tego typu zaworu oraz rozwiązania stosowane w celu umożliwienia dezynfekcji termicznej instalacji. Wskazuję również na podobieństwa i różnice między termostatycznymi zaworami mieszającymi dedykowanymi do instalacji c.w.u. a tymi, które są polecane do instalacji centralnego ogrzewania.

Mieszać czy nie mieszać? Oto jest pytanie
Armatura regulacyjna i sterująca w instalacjach c.w.u. – jako ogólnie rozumiane rozwiązanie – jest relatywnie nową koncepcją, jeśli odniesiemy się do instalacji ogrzewczych. W klasycznych rozwiązaniach, np. z przepływowymi podgrzewaczami gazowymi (nazywanymi potocznie „piecykami gazowymi” albo „Junkersami” – od nazwy jednej z popularnych marek tego typu urządzeń) czy też z kotłem połączonym z zasobnikiem c.w.u., zasadniczo jedynym elementem regulacyjnym jest kurek ciepłej wody w kranie czy w prysznicu. Ale czy faktycznie? Niezależnie od tego, czy bateria taka jest jednouchwytowa, czy też dwuuchwytowa, to standardowo doprowadzana jest do niej zarówno rura z wodą zimną, sieciową, jak i rura z urządzenia, które podgrzewa wodę. Zasadniczo więc w takiej baterii, nawet najprostszej, może występować mieszanie – są dwa wloty i dwa kurki regulacyjne, a jest jeden wylot. Jest to więc zawór mieszający! Co prawda nie termostatyczny, bo sterowany ręcznie, ale jednak. Idąc dalej tym tokiem rozumowania szybko uświadomimy sobie, że przecież istnieje coś takiego jak bateria termostatyczna, gdzie już faktycznie regulacja temperatury wody na wylocie jest regulowana automatycznie, w zależności od tego, jaką wartość ustawi użytkownik. Jest to zawór mieszający i zawór termostatyczny jednocześnie i nawet znaleźć można dla tego typu produktów dedykowane normy, np [8, 9]. A czy akurat o taki zawór nam w tym artykule chodzi? Oczywiście – nie. Wywód ten ma tylko wskazać, że mieszanie strumieni i ogólnie rozumiana regulacja w instalacjach c.w.u. to nic nadzwyczajnego i istnieje „od zawsze”, chociaż niekoniecznie jest to tak oczywiste do zrozumienia jak w przypadku instalacji ogrzewczych.

Jak to działa?
Zasada działania termostatycznego zaworu mieszającego dedykowanego do instalacji c.w.u. jest analogiczna jak termostatycznego zaworu mieszającego w instalacji c.o. Szczegółowo omówiłem to w artykule [7]. W przypadku zaworów mieszających do instalacji c.w.u. spotkać można jednak nie tylko rozwiązania, w których stosuje się klasyczny mieszek wypełniony substancją termorozszerzalną (najczęściej woskiem), ale także rozwiązania z paskiem bimetalicznym. Na rys. 1 i 2 pokazano budowę przykładowych urządzeń w obu wariantach.

W przypadku zaprezentowanym na rys. 1 czujnik (1), w postaci mieszka wypełnionego woskiem, zanurzony jest w strumieniu wody po zmieszaniu. Reaguje on na zmiany jej temperatury, sterując tłokiem (2) i w ten sposób ustalając proporcję pomiędzy dopływającą wodą gorącą (3) i zimną (4). Z uwagi na to, że czujnik (1) reaguje bezpośrednio na wartość temperatury po zmieszaniu, to w pośredni sposób reaguje również na wahania ciśnienia po stronie doprowadzeń (3) i (4). Przykładowo, jeśli ciśnienie w przewodzie wody gorącej (4) maleje (np. z uwagi na zwiększone pobory w innych punktach instalacji), to maleje również przepływ, zmniejszając temperaturę wody po zmieszaniu. Czujnik (1) reaguje wówczas zmieniając proporcję podziału strumieni wody gorącej i zimnej na korzyść wody gorącej i w ten sposób dąży do zachowania ustalonej na pokrętle sterującym wartości temperatury po zmieszaniu.

W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 2 czujnik stanowi trwałe złożenie, w postaci paska, dwóch materiałów o różnych wartościach współczynników rozszerzalności cieplnej. Przy zmianach temperatury oba materiały rozszerzają się w różnym stopniu, w związku z czym następuje odkształcenie paska, które przenoszone jest na element wykonawczy sterujący dopływami wody ciepłej i gorącej – zawór iglicowy. Króćce zaworów termostatycznych są zwykle oznaczone, aby prawidłowo podłączyć wodę gorącą i zimną. Oznaczenia mają postać opisów „cold” i „hot”, liter C (cold), H (hot) albo kropek – czerwonej dla wody gorącej i niebieskiej dla wody zimnej. Pokrętło nastawcze może być wyskalowane zarówno bezpośrednio w stopniach Celsjusza, jak i w skali umownej – wówczas należy sprawdzić w danych katalogowych, jakie wartości temperatury odpowiadają poszczególnym numerom nastawy. Nastawiona wartość może zostać zablokowana i zaplombowana w celu ochrony przed nieupoważnioną ingerencją.

! W przypadku montażu termostatycznego zaworu mieszającego w instalacji z cyrkulacją konieczne jest zastosowanie wersji z zaworami zwrotnymi albo dodatkowych zaworów zwrotnych w celu zapobieżenia przepływom zwrotnym. Zawory tego typu wyposażone są zwykle w blokadę antypoparzeniową chroniącą przed ewentualnym oparzeniem – wypływ z urządzenia jest samoczynnie odcinany w razie zaniku zimnej wody w instalacji.

Po co mieszać?
Konieczność zapewnienia możliwości mieszania dwóch strumieni wody – wody sieciowej, zimnej, oraz wody gorącej, przygotowanej przez dedykowane urządzenie – czy to w baterii, czy w zaworze mieszającym, wynika z kilku powodów, które przedstawiam poniżej.

Komfort i bezpieczeństwo użytkownika. Użytkownik musi mieć możliwość ustawienia temperatury wody czerpalnej na żądanym przez siebie poziomie, częściowo uniezależniając się od ewentualnych ograniczeń, jakie w tym zakresie może mieć urządzenie podgrzewające wodę. Uzyskanie wody o odpowiednio niskiej temperaturze bezpośrednio w takim urządzeniu nie zawsze jest możliwe, np. kotły stałopalne i okresowo instalacje solarne pracują na relatywnie wysokich temperaturach. Ponadto, jeśli zastosowany jest zasobnik ciepłej wody użytkowej, to korzystne jest utrzymywanie w nim wysokiej temperatury, najlepiej powyżej 60°C, aby zapobiec rozwojowi bakterii i drobnoustrojów, w tym bakterii Legionella. Z występowaniem tego typu bakterii związana jest także tzw. termiczna dezynfekcja instalacji, omówiona bardziej szczegółowo dalej, podczas której – zwłaszcza przez działki rozprowadzające instalacji – przepuszcza się wodę o temperaturze co najmniej 70°C. Grozi to poparzeniem i dlatego w takich przypadkach bezpośrednio przed punktem czerpalnym stosuje się termostatyczny zawór mieszający c.w.u.

Niezależność od wahań ciśnienia i temperatury wody. Mieszanie strumieni, przy automatycznej stabilizacji temperatury wynikowej, umożliwia – oczywiście w ograniczonym zakresie – uniezależnienie się od wahań ciśnienia i temperatury wody na dopływach do punktu mieszania.

Silniejszy strumień wody. Mieszanie strumieni wody zimnej, sieciowej, oraz wody podgrzanej przez urządzenie umożliwia także uzyskanie większej wartości strumienia na wylocie (np. z baterii) niż w przypadku czerpania wody tylko z przewodu wody gorącej – np. w gazowych podgrzewaczach przepływowych możliwy do osiągnięcia strumień wody może być ograniczony.

Oszczędność wody i energii. Zastosowanie termostatycznego zaworu mieszającego pozwala na optymalizację zużycia wody i oszczędność energii, z uwagi na brak konieczności ręcznego doregulowywania proporcji pomiędzy strumieniem wody gorącej i zimnej – wymagana wartość temperatury uzyskiwana jest w krótkim czasie. Szczególnego znaczenia nabiera to w obiektach takich jak baseny, łaźnie, hale sportowe itp., gdzie woda zużywana jest w dużych ilościach.

Konieczność spełnienia wymagań prawnych. Zgodnie z aktualnymi zapisami [10]:
§ 120. 2. Instalacja wodociągowa ciepłej wody powinna umożliwiać uzyskanie w punktach czerpalnych wody o temperaturze nie niższej niż 55°C i nie wyższej niż 60°C.
§ 302. 4. W budynkach przeznaczonych na zbiorowy pobyt dzieci i osób niepełnosprawnych, w instalacji wody ciepłej powinny być stosowane termostatyczne zawory mieszające z ograniczeniem maksymalnej temperatury do 43°C, a w instalacjach prysznicowych do 38°C, zapobiegające poparzeniu.
Zatem – nie tylko kwestie użytkowe, ale też zapisy prawne regulują temat wartości temperatury wody oraz wymaganych do zastosowania urządzeń.

Gdzie instalować?
Z punktu widzenia pełnionej funkcji termostatyczne zawory mieszające powinno się instalować jak najbliżej każdego punktu czerpalnego wody. Oczywiście, nie stosuje się tego rozwiązania za każdym razem, głównie z powodów ekonomicznych. W praktyce można wyróżnić następujące warianty lokalizacji zaworu mieszającego:

• montaż na przewodzie głównym c.w.u., tuż za urządzeniem podgrzewającym wodę (kotłem, wymiennikiem ciepła, zasobnikiem c.w.u. itp.) – wówczas mamy do czynienia z centralną regulacją temperatury wody, ponieważ zawór reguluje temperaturę podawaną na całą instalację i nie ma możliwości zwiększenia jej w dalszych punktach czerpalnych ponad ustawioną w nim wartość; rozwiązanie to pokazano na rys. 3a;
• montaż przed grupą punktów czerpalnych wody, np. przed kilkoma-kilkudziesięcioma bateriami, w szachcie przed pokojem hotelowym, salą szpitalną, zespołem łazienek w szkole, czy zespołem natrysków na obiekcie sportowym, polu biwakowym itp.; rozwiązanie to pokazano na rys. 3c;
• montaż przed pojedynczym punktem czerpalnym, np. tuż przed baterią umywalkową – rozwiązanie to stosuje się np. w żłobkach, restauracjach i innych obiektach, w których wymagana jest odpowiednio niska temperatura wody w punkcie czerpalnym, jak opisano wcześniej; ponadto taka lokalizacja pozwala na ochronę przed poparzeniem w przypadku chęci skorzystania z wody podczas prowadzenia tzw. dezynfekcji termicznej w instalacji; ze względu na lokalizację np. pod umywalką, tj. w miejscu widocznym dla użytkownika, producenci oferują tego typu urządzenia także w wykonaniu dekoracyjnym; rozwiązanie to pokazano na rys. 3b.

Naturalnie w jednej instalacji może być zainstalowanych kilka zaworów mieszających kaskadowo, tak aby możliwy był podział instalacji na grupy o różnych wymaganych temperaturach w punktach czerpalnym. Każdy kolejny zawór obniża wówczas temperaturę w stosunku do poprzedniego. Przykład takiego rozwiązania pokazano na rys. 4, gdzie ponadto zobrazowano schematycznie – wraz z obiegiem cyrkulacyjnym wody – wszystkie z wymienionych wyżej wariantów umiejscowienia zaworu: centralnie, lokalnie na grupie punktów czerpalnych i lokalnie na jednym punkcie czerpalnym.

Co z dezynfekcją termiczną?
Wspomniałem wcześniej o bakteriach Legionella. Są to szczepy bakterii szkodliwe dla zdrowia ludzkiego, które rozwijają się głównie w stojącej wodzie, w zbiornikach, odmulaczach, na filtrach i innych elementach, na których może utworzyć się film bakteryjny, jeśli temperatura wody jest sprzyjająca – a sprzyjająca temperatura dla ich rozwoju to niestety także temperatura komfortowa dla człowieka, np. podczas kąpieli. Aby nie dopuścić do namnażania się tych bakterii i móc je uśmiercić, powinno stosować się dezynfekcję instalacji c.w.u. Polskie zapisy prawne [10] podają tutaj wymagania i wytyczne, mianowicie:
§ 120. 2a. Instalacja wodociągowa ciepłej wody powinna umożliwiać przeprowadzanie ciągłej lub okresowej dezynfekcji metodą chemiczną lub fizyczną (w tym okresowe stosowanie metody dezynfekcji cieplnej), bez obniżania trwałości instalacji i zastosowanych w niej wyrobów. Do przeprowadzenia dezynfekcji cieplnej niezbędne jest zapewnienie uzyskania w punktach czerpalnych temperatury wody nie niższej niż 70°C i nie wyższej niż 80°C.
Z uwagi na te regulacje, jak i z uwagi na aspekty praktyczne, dezynfekcja termiczna/cieplna stosowana jest częściej niż dezynfekcja chemiczna.

! Mieszające zawory termostatyczne do c.w.u. standardowo oferują niższe maksymalne wartości nastawień temperatury zmieszania niż podają powyższe zapisy. Zabezpiecza to użytkowników przed poparzeniem, gdy np. akurat biorą prysznic, a w obiekcie przeprowadzana jest dezynfekcja termiczna.

Jednak, w razie konieczności objęcia dezynfekcją także odcinków od zaworu do punktów czerpalnych, np. pryszniców, lub większych fragmentów instalacji (jeśli np. zawór zainstalowany jest na przewodzie głównym wychodzącym z urządzenia przygotowującego gorącą wodę, patrz rys. 3a), to także istnieje taka możliwość. Można oczywiście zastosować tzw. by-pass, czyli obejście zaworu mieszającego, którym na czas dezynfekcji przepłynie woda, a sam zawór zostaje wtedy odcięty (patrz rys. 4 i rys. 6d). Można jednak dokonać tego z użyciem samego zaworu, bez konieczności aplikowania dodatkowych rozwiązań instalacyjnych. Na rynku znajdziemy modele, które mają funkcję dezynfekcji termicznej realizowaną poprzez ręczne lub automatyczne dezaktywowanie funkcji regulacji temperatury. Odbywa się to np. przez:

• dodatkową zmianę nastawienia temperatury,
• aktywację dodatkowego (wbudowanego) czujnika termostatycznego sterującego zaworem,
• przez ręczne, czasowe przezbrojenie zaworu.

Dostępne są też modele ze sterowaniem za pomocą siłownika. Wówczas nie ma konieczności ręcznej ingerencji, ale wymagane jest podłączenie siłownika do systemu sterującego i nie jest to wówczas zawór termostatyczny w sensie stricte.

Termostatyczny zawór mieszający do c.w.u. a termostatyczny zawór cyrkulacyjny do c.w.u.
Instalacja cyrkulacyjna wody w instalacji c.w.u. to – mówiąc najprościej – spięcie rozprowadzającego przewodu gorącej wody, na jego końcu, z powrotem do punktu przygotowania i zapewnienie cyrkulacji w tak powstałym obiegu, najczęściej za pomocą dedykowanej pompy cyrkulacyjnej. Pokazano to na rysunkach 4, 5b, 6c i 6d. Zatem, przy działającej pompie, w obiegu takim ciągle krąży woda gorąca i dzięki temu użytkownik ma do niej szybki dostęp po otwarciu punktu czerpalnego. W przypadku braku cyrkulacji woda w przewodach wychładza się i aby uzyskać gorącą wodę w punkcie czerpalnym, musi ona na nowo dopłynąć z punktu przygotowania. Pogarsza to komfort użytkowania (czasami trzeba oczekiwać na gorącą wodę nawet kilkadziesiąt sekund), generuje straty wody, jak i energii potrzebne na ponowne podgrzanie wody (chociaż akurat w całościowym bilansie energetycznym instalacja cyrkulacyjna jest często „pod kreską” w stosunku do klasycznego rozwiązania – ale to temat na inny artykuł). Instalacja cyrkulacyjna jest obowiązkowa dla niektórych typów budynków. Zapis ten brzmi następująco [10]:
§ 120. 1. W budynkach, z wyjątkiem jednorodzinnych, zagrodowych i rekreacji indywidualnej, w instalacji ciepłej wody powinien być zapewniony stały obieg wody, także na odcinkach przewodów o objętości wewnątrz przewodu powyżej 3 dm³ prowadzących do punktów czerpalnych.

Aby spełnić jednocześnie warunek zapewnienia cyrkulacji i określonej wartości temperatury w punkcie czerpalnym (np. wspomniane 55-60°C), konieczne jest zastosowanie dodatkowych urządzeń regulacyjnych. Jednym z najprostszych rozwiązań jest zastosowanie zaworu termostatycznego, zamontowanego na przewodzie cyrkulacyjnym. Jest to zawór jednodrogowy – nie ma możliwości podmieszania dwóch strumieni wody, a oczekiwaną temperaturę wody uzyskuje się po prostu przez odpowiednie zdławienie jej przepływu na tym zaworze. Im większe dławienie, tym mniejszy przepływ i niższa temperatura wody, gdyż bardziej wychładza się ona w rurach. Ogólna zasada działania takiego zaworu jest analogiczna do działania tzw. ogranicznika temperatury powrotu RTL, stosowanego w instalacjach podłogowych, a opisanego w artykule [6]. Zawór taki jest więc urządzeniem służącym do równoważenia cieplnego obiegów c.w.u., ale może być także wyposażony w element do równoważenia hydraulicznego, na którym zadaje się wstępne dławienie. Zawory te są dostępne z zamontowanym termometrem tarczowym. Przykładowy zawór tego typu oraz typową lokalizację w instalacji pokazano na rys. 5. Ponadto na rynku dostępne są termostatyczne zawory mieszające z dodatkowym króćcem umożliwiającym podłączenie obiegu cyrkulacyjnego. Przykładowy zawór tego typu oraz typową lokalizację w instalacji pokazano na rys. 6.

Czym różnią się zawory mieszające do instalacji c.o. od tych do instalacji c.w.u.?
W artykule [7] omówiłem zawory mieszające i rozdzielające, w tym termostatyczne, ale stosowane głównie w instalacjach ogrzewczych. Skoro jednak są to urządzenia działające na podobnej zasadzie i spełniające podobną, a czasem taką samą funkcję, to dlaczego występuje podział na zawory do instalacji c.o. i c.w.u. i czy nie można ich stosować zamiennie? Zastanówmy się nad tym, analizując poniższe aspekty i parametry:

• temperatura pracy i zakresy temperatury nastawczej – jak opisałem wcześniej, standardowo mieszające zawory termostatyczne do c.w.u. mogą pracować z temperaturą do 90°C, a w wykonaniach specjalnych nawet z wyższą; podobne wyniki prezentują zawory dedykowane do instalacji c.o.;
• zakres nastawczy temperatury – w zaworach do c.w.u. standardowo dostępne są modele stabilizujące temperaturę po zmieszaniu w zakresie najczęściej od 35°C do 65°C, ale dostępne są także wersje z niższymi dolnymi wartościami (nawet 0°C), a także z wyższymi górnymi wartościami (nawet 80°C); tutaj więc także specjalnych różnic nie ma;
• ciśnienie nominalne pracy PN – i w tym przypadku dla obu grup zaworów mamy podobne wartości;
• przepustowość – zakresy przepustowości są podobne; zawór o danej przepustowości z grupy dedykowanej do instalacji c.o. można znaleźć w grupie zaworów do c.w.u.;
• rodzaje i rozmiary przyłączy – analogiczne przyłącza znajdziemy w obu grupach.

Skoro wszystkie te punkty wskazują, że nie ma zasadniczych różnic między zaworami z grupy dedykowanej do instalacji c.o. i z grupy do c.w.u. to znaczy, że bez obaw można je stosować zamiennie? – Niezupełnie.

! Zawory dedykowane do instalacji c.o. nie mają dodatkowych funkcjonalności, jak np. automatycznego odcinania dopływu gorącej wody przy zaniku dopływu zimnej wody, nie mają możliwości podłączenia obiegu cyrkulacyjnego, nie mają też funkcji dezynfekcji termicznej – wszystkie te funkcjonalności są dostępne w przypadku zaworów z grupy c.w.u., czasem jednocześnie w danym modelu zaworu.

Dodatkową rzeczą, aczkolwiek związaną z aspektem formalno-prawnym, a nie technicznym, jest atest higieniczny. Zawory z grupy c.w.u. muszą mieć formalne dopuszczenie do stosowania w instalacjach przeznaczonych do przesyłania wody pitnej, czego zawory z grupy c.o. mieć nie muszą. Są oczywiście modele uniwersalne, ale przy wyborze warto się zastanowić, czy jednak nie lepiej zdecydować się na urządzenie dedykowane do danej aplikacji.

W przypadku zaworów dedykowanych do instalacji c.w.u., zwłaszcza modeli z czujnikiem woskowym, dużego znaczenia nabiera również stosunek ciśnień na obu wlotach wody – gorącej i zimnej. Nie powinien on być zbyt duży i często zaleca się maksymalną wartość na poziomie 2:1.

Materiały źródłowe:
[1] Materiały katalogowe i prasowe firmy Caleffi
[2] Materiały katalogowe i prasowe firmy Honeywell
[3] Materiały katalogowe i prasowe firmy IMI Hydronic Engineering
[4] Materiały katalogowe i prasowe firmy Oventrop
[5] Materiały katalogowe i prasowe firmy Watts
[6] Muniak D.: „Płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe: armatura współpracująca. Regulacja temperatury ogrzewania podłogowego: układy z wieloma pętlami grzewczymi”, „Polski Instalator”, 7-8/2021 (296), str.: 24-28
[7] Muniak D.: „Zawory n-drogowe. O co tu chodzi?”, „Polski Instalator”, 6/2021 (295), str.: 16-20
[8] Polska Norma – Europejska Norma PN-EN 1111:2017-09: Armatura sanitarna – Baterie termostatyczne (PN 10) – Ogólna specyfikacja techniczna
[9] Polska Norma – Europejska Norma PN-EN 1287:2017-09: Armatura sanitarna – Niskociśnieniowe termostatyczne baterie mieszające – Ogólna specyfikacja techniczna [10] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 02.75.690 z późn. zm.)