W artykule omówiłem tematykę sposobów zapewniania odpowiedniego ciśnienia w instalacji ogrzewczej i kontrolowania jego poziomu. Wymieniłem stosowane w praktyce urządzenia i krótko je scharakteryzowałem.

Wstęp
Rozkład ciśnienia w instalacji zależny jest od kilku czynników, przy czym rozróżnić można tutaj ciśnienie statyczne, dynamiczne oraz całkowite, będące sumą dwóch pierwszych.

Ciśnienie dynamiczne występuje wtedy, gdy czynnik płynie, w przeciwnym przypadku występuje tylko ciśnienie statyczne. Ciśnienie statyczne z kolei, przy braku przepływu (wyłączonej pompie), zależne jest m.in. od wysokości (rozległości w pionie) instalacji, gęstości czynnika, czy też ciśnienia w tzw. naczyniu wzbiorczym. Im większa gęstość czynnika, tym większe to ciśnienie. Im niższy punkt w instalacji, tym wyższy słup wody nad nim, a więc większa wartość ciśnienia (hydro)statycznego.

W ogólności instalacja może pracować na ciśnieniu niższym, niż ciśnienie atmosferyczne, nie trzeba jej „nabijać”. Pomijając pewne szczególne przypadki, związane np. z ryzykiem wystąpienia kawitacji na zaworach, pompie, itp., podciśnienie nie uniemożliwia pełnienia podstawowej funkcji czynnika w instalacji tj. odbierania ciepła ze źródła ciepła i przekazywania go do odbiorników ciepła. Główne ryzyko pracy instalacji na podciśnieniu to zasysanie powietrza zewnętrznego i to jest jeden z podstawowych powodów, dla którego instalację należy eksploatować na nadciśnieniu. Jak opisałem w artykule [5] obecność powietrza w instalacji może mieć dla niej przykre konsekwencje.

Nadciśnienie może być zapewniane na różne sposoby i w praktyce stosuje się dwa rozwiązania:

• Otwarty zbiornik wody, umieszczony odpowiednio wysoko, ponad globalnie najwyższym punktem (grzejnikiem, zaworem odpowietrzającym, itp.) instalacji. Mowa tutaj o otwartym naczyniu wzbiorczym, nazywanym też naczyniem przelewowym. Słup wody wywiera tutaj dodatkowe (nad)ciśnienie hydrostatyczne na niższe części instalacji.
• Zamknięty zbiornik wody, w którym za pośrednictwem przepony (może być to też worek, a nie membrana/przepona) na przestrzeń wodną oddziałuje przestrzeń gazowa o odpowiednim ciśnieniu, dobranym indywidualnie do danej instalacji. Urządzenie takie może występować w różnych rodzajach, a także jako urządzenia pompowe i sprężarkowe, gdzie – mówiąc w skrócie – dodatkowe (nad)ciśnienie wytwarzane jest przez te urządzenia, a więc z użyciem dodatkowej energii (elektrycznej).

Pierwsze rozwiązanie w zasadzie nie jest już stosowane w nowoprojektowanych instalacjach, z powodu bardzo poważnej wady – czynnik jest w ciągłym kontakcie z powietrzem atmosferycznym. Powszechnie stosuje się drugie rozwiązanie.

Przy czym należy pamiętać, że ww. urządzenia nie służą tylko do zapewniania odpowiedniej wartości (nad)ciśnienia w instalacji, tj. jego minimalnej wartości, ale także do kompensacji zmian objętości wody, utrzymując pełne napełnienie instalacji czynnikiem niezależnie od zmian jego objętości, wynikających ze zmian temperatury. Ponadto pośrednio są także elementami systemu zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia. Oprócz tego istotną rolę pełnią tutaj także zawory automatycznego napełniania instalacji i – w przypadku stosowania naczyń przeponowych – obowiązkowo zawory bezpieczeństwa, o których dalej.

Obecny stan prawny w Polsce [12] wskazuje, że „Instalacja ogrzewcza wodna powinna być zabezpieczona przed nadmiernym wzrostem ciśnienia i temperatury, zgodnie z wymaganiami Polskich Norm dotyczących zabezpieczeń instalacji ogrzewań wodnych”. Nie podaje precyzyjnych wymagań w tym zakresie, ale odsyła do Polskich Norm (co, jak wskazałem w artykule [4], nie jest zbyt fortunne), a konkretnie do norm [8] i [9]. W normach tych podane są wytyczne w tym zakresie, a także schematy aplikacyjne. W praktyce często wykorzystuje się także normę [10], gdyż obie wcześniej wspomniane normy nieco odstają od współczesnych realiów instalacyjnych (ponadto mają status wycofanych przez PKN).

Naczynia wzbiorcze
Problem utrzymania odpowiedniej wartości ciśnienia w instalacji ogrzewczej jest niemal tak stary, jak realizacja idei tej instalacji. Początkowo potrzeba ta nie była dyktowana zabezpieczeniem przed podsysaniem powietrza atmosferycznego, a kwestiami bezpieczeństwa użytkowania. Woda, gdy jest ogrzewana (w zakresie temperatury od ok. 4^oC wzwyż), zmniejsza swoją gęstość, a więc zwiększa zajmowaną objętość. Przykładowo – woda, którą napełniana jest instalacja ogrzewcza posiada zwykle temperaturę na poziomie średnio ok. 10^oC, średnia temperatura pracy instalacji to nawet 70^oC. W tym przedziale temperatury objętość właściwa wody rośnie o ponad 2%. Powoduje to wzrost ciśnienia w zamkniętej instalacji, co tylko na pierwszy rzut oka może wydawać się trywialnym problemem, a w rzeczywistości może nawet stwarzać zagrożenie dla życia i zdrowia. Wyobraźmy sobie np. stalowy/żeliwny kocioł stałopalny o masie kilkuset kilogramów, w dodatku wypełniony gorącą, lub wrzącą wodą, w którym ciśnienie przekracza wartość maksymalną, a w instalacji nie ma odpowiednich rozwiązań i urządzeń zabezpieczających. Tak – urządzenie takie może wybuchnąć. Takie przypadki były nierzadkie w początkowych czasach użytkowania tego typu instalacji, powodując katastrofy budowlane, a także wypadki śmiertelne. Jednym z najprostszych sposobów zabezpieczenia przed tym ryzykiem jest...oczywiście – otwarcie instalacji, tak, by woda mogła się swobodnie przelewać. I tutaj właśnie pojawia się otwarte naczynie wzbiorcze, wspomniane wcześniej.

Rozwiązanie to schematycznie pokazano na rys. 1. Szczegółowe wymagania dotyczące tego systemu i opisy funkcji poszczególnych rur podane są w normie [8].

Obecnie powszechnie stosuje się zamknięte, przeponowe naczynia wzbiorcze. Schemat takiego układu jest w zakresie podłączenia samego naczynia prostszy, niż poprzednio, aczkolwiek występuje tu dodatkowy element – zawór bezpieczeństwa, zabezpieczający instalację i źródło ciepła, np. kocioł, przed przekroczeniem dopuszczalnego ciśnienia. W wariancie z otwartym naczyniem wzbiorczym go nie było, jednak funkcję tę pełniła jedna z rur – rura bezpieczeństwa. Schemat tego układu pokazano na rys. 2.

Ponadto w tym wariancie, z godnie z [12] w określonych sytuacjach konieczne jest zastosowanie rozwiązania, które umożliwi szybki odbiór ciepła ze źródła ciepła, w przypadku awarii. Stosuje się tutaj najczęściej rozwiązania wykorzystujące tzw. (termostatyczny) zawór bezpieczeństwa termicznego, który tworzy tzw. termiczne zabezpieczenie wypływu:

• Wężownica wody schładzającej (zimna woda sieciowa), zamontowana w źródle ciepła, w jego części wodnej i sterowana ww. zaworem zamontowanym na dopływie wody zimniej z sieci, którego czujnik temperatury zamontowany jest w przestrzeni wodnej źródła ciepła. W przypadku niekontrolowanego wzrostu temperatury zawór otwiera dopływ zimnej wody do wężownicy, następuje odbiór ciepła z kotła i zrzut podgrzanej wody do kanalizacji. Rozwiązanie pokazano na rys. 2a.
• Zawór bezpieczeństwa termicznego zamontowany na odpływie z przewodu zasilającego instalacji, którego czujnik temperatury zamontowany jest w przestrzeni wodnej źródła ciepła. W przypadku niekontrolowanego wzrostu temperatury zawór otwiera odpływ gorącej wody z instalacji i źródła ciepła, dzięki czemu następuje uzupełniający dopływ zimnej wody sieciowej do instalacji i do źródła ciepła, odbiór ciepła ze źródła i zrzut podgrzanej wody do kanalizacji. Występują tutaj najczęściej dwie wersje rozwiązania – zawór pojedynczy, który montuje się na odpływie z instalacji i do którego należy zastosować dodatkowy zawór na dopływie; oraz zawór podwójny, „spinający” oba przewody, jak pokazano na rys. 2b. Zawór taki może być dodatkowo wyposażony np. w automatyczny reduktor ciśnienia/zawór napełniający i zawór zwrotny, tworząc w ten sposób kompletny, wielofunkcyjny zespół zaworowy.

Dobór odpowiedniej pojemności naczynia wzbiorczego zamkniętego i ustawienie wartości ciśnienia należy każdorazowo oprzeć na stosownych obliczeniach. Powszechną praktyką jest dobieranie wielkości naczynia „na oko” i nieustawianie wartości ciśnienia wcale – pozostawia się wartość fabryczną. Jest to zła praktyka, bo źle dobrane naczynie wzbiorcze wpływa negatywnie na wskaźniki eksploatacyjne instalacji (podsysanie powietrza atmosferycznego, nieprawidłowe działanie zaworów bezpieczeństwa, ubytki czynnika, itp.), a także może stwarzać zagrożenie dla użytkowników. Należy korzystać z wytycznych zawartych w ww. normach, lub korzystać z kalkulatorów on-line i arkuszy kalkulacyjnych, często dostarczanych przez producentów tego typu urządzeń. Uwzględniają one często także ubytki eksploatacyjne, zjawisko odgazowywania czynnika (a więc dodatkowej zmiany jego objętości), a czasem także dyfuzyjność gazową membrany samego naczynia. Należy bowiem pamiętać, że urządzenie to musi również zapewnić odpowiednia rezerwę czynnika (przez ustawienie odpowiedniej wartości ciśnienia napełnienia, odpowiednio wyższej, niż ciśnienie wstępne poduszki gazowej). Czynnik zawsze musi całkowicie wypełniać instalację, a może go ubywać z uwagi na ww. zjawiska, ale także z uwagi na działanie zaworów bezpieczeństwa, prace serwisowe (np. wymiana filtrów), itp.

Często mówi się, że naczynie wzbiorcze nie jest elementem zabezpieczającym przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, bo do tego służy zawór bezpieczeństwa, a tylko elementem przejmującym jego wahania, zapewniając nadciśnienie (poprzez odpowiednie ciśnienie wstępne) w instalacji i pełne jej napełnienie (poprzez odpowiednie ciśnienie napełmniania). Jednak, jak widać z wcześniejszych rozważań, nie jest to do końca prawdą – rola naczynia wzbiorczego jest także wspomagająca dla zaworu bezpieczeństwa. Wyobraźmy sobie bowiem, jak pracowałaby instalacja, gdyby był na niej tylko zawór bezpieczeństwa, a nie byłoby naczynia wzbiorczego.

W praktyce zwykle i tak należy dokonywać pomiarów i korekt ustawionego pierwotnie ciśnienia (ciśnień) w naczyniu, w związku z czym nieodzownym elementem wyposażenia jest manometr.

Urządzenia pompowe i sprężarkowe
Rozwiązania te pełnią funkcje analogiczne do wcześniej omówionych, ale umożliwiają lepszą stabilizację regulowanych parametrów pracy, a ponadto, w przypadku dużych instalacji, są mniejsze, z uwagi na mniejszą wielkość naczynia. Urządzenia te wykorzystują pompy do wtłaczania czynnika do instalacji i z powrotem (zwykle z dodatkowego, własnego zbiornika), lub sprężarki do wtłaczania gazu do przestrzeni gazowej swojego naczynia przeponowego i upuszczania go z powrotem, za pomocą sterowanego elektrozaworu upustowego. Na bieżąco monitorują ciśnienie wody w instalacji i odpowiednio reagują. Ponadto urządzenia takie wyposażone mogą być w dodatkowe funkcjonalności, np. stacje odgazowania wody, moduł automatycznego uzupełniania wody (z sieci wodociągowej), separację cząstek stałych, zdalną komunikację (internet), itp.. Przykład takich urządzeń pokazano na rys. 3.

Zawory bezpieczeństwa
Podstawową rolą zaworu bezpieczeństwa jest zabezpieczenie źródła ciepła (kotła, wymiennika ciepła, itp.) przed przekroczeniem dopuszczalnej wartości ciśnienia, przez otwarcie się i odprowadzanie nadmiaru czynnika, najczęściej do otoczenia. Jak zasygnalizowałem wcześniej, może to być powodowane wzrostem temperatury czynnika. Większość stosowanych zaworów bezpieczeństwa to tzw. zawory bezpośredniego działania, których uruchamianie inicjowane jest bezpośrednio przez czynnik roboczy, znajdujący się w zabezpieczanym urządzeniu. Są to zawory z mechanizmem sprężynowym. Oprócz tego spotkać można urządzenia bezpośredniego działania z mechanizmem ciężarkowym – siła wywierana przez sprężynę zastąpiona jest tutaj siłą od ciężaru obciążnika powstającą na ramieniu dźwigni. Istnieją również zawory membranowe. Ponadto produkowane są urządzenia pośredniego działania, napędzane przez siłowniki eklektyczne, bądź hydrauliczne.

Działanie zaworu bezpieczeństwa polega na zmniejszeniu ciśnienia w zabezpieczanym urządzeniu poprzez otwarcie się i odprowadzanie nadmiaru czynnika roboczego poza zabezpieczane urządzenie (najczęściej do otoczenia). Zamknięcie grzybka zaworu utrzymywane jest przez napięcie sprężyny – w zaworach sprężynowych, bądź przez ciężarek – w zaworach ciężarkowych. Gdy ciśnienie pod grzybkiem wzrośnie na tyle, że zrównoważy siłę pochodzącą od sprężyny, bądź ciężarka, grzybek otwiera się. Im większe jest to ciśnienie, tym większy stopień otwarcia grzybka i większa przepustowość zaworu. Przyjmuje się, że zawór powinien zacząć się otwierać przy ciśnieniu równemu ciśnieniu dopuszczonemu danego źródła ciepła, a wymaganą przepustowość powinien osiągnąć przy ciśnieniu o 10% wyższym [8].

Widok typowych zaworów bezpieczeństwa bezpośredniego działania, sprężynowego i ciężarkowego, pokazano na rys. 4. Na rys. 5 pokazano ich budowę.

Zawory bezpieczeństwa charakteryzowane są przez szereg parametrów i ich dobór również polega na dokonaniu stosownych obliczeń, zgodnie z normą [11], lub – co w Polsce ma często miejsce w praktyce – zgodnie z wytycznymi UDT [13]. Zapisy obu tych dokumentów są w dużej mierze zbieżne i w Polsce są równoprawne.

No dobrze, ale dlaczego mowa tylko o źródle ciepła, a nie np. o grzejnikach, zaworach, rurach? Dlatego, że to właśnie źródło ciepła jest najczęściej „wąskim gardłem” w tym zakresie. Przewody, zawory, czy grzejniki, mogą pracować na ciśnieniach nawet kilkudziesięciu barów, a typowy kocioł na wartościach kilku barów. Z tego też powodu zawory bezpieczeństwa powinny być instalowane jak najbliżej źródła ciepła, a najkorzystniej – na nim.

Zawory automatycznego napełniania instalacji
Instalacja ogrzewcza może być podłączona do miejskiej sieci wodociągowej. Co oczywiste, połączenie takie musi posiadać pewne zabezpieczenia, np. przed przepływem zwrotnym do sieci [7], czy przed zbyt wysokim ciśnieniem tej sieci. Jednak głównym celem takiego podłączenia jest pierwotne napełnienie instalacji i bieżące uzupełnianie jej w trakcie pracy, do tzw. ciśnienia napełnienia (wspomniane wcześniej), w przypadku pojawiania się ubytków czynnika/ciśnienia. Do tego celu służą zawory automatycznego napełniania, które zwykle integrowane są w jednym produkcie z urządzeniami pełniącymi pozostałe wymienione funkcje – np. z zaworem zwrotnym antyskażeniowym, reduktorem ciśnienia stabilizującym podawaną na instalację wartość do wymaganego poziomu, itp. Urządzenia takie wyposażane są też często dodatkowo w filtry i armaturę odcinającą, a także w manometry. Powinny instalowane w możliwie najniższym punkcie instalacji.

Przykład takiego urządzenia pokazano na rys. 6. A co w przypadku, jeśli ciśnienie w instalacji wewnętrznej jest wyższe, niż ciśnienie sieciowe i w naturalny sposób nie spowoduje ono napełnienia instalacji? W tym celu można zastosować moduł automatycznego napełniania, który wyposażony jest w pompę. Takie produkty również są oferowane przez firmy specjalistyczne.

Podsumowanie
Reasumując, aby zapewnić odpowiednie ciśnienie w instalacji ogrzewczej, należy przestrzegać kilku zasad:

1. Instalować naczynia wzbiorcze, korzystnie zamknięte i koniecznie dobrane w oparciu o wymagane obliczenia zasadniczych parametrów pracy – ciśnienie wstępne w przestrzeni gazowej i ciśnienie napełniania instalacji, a także odpowiednią objętość. W tym przypadku równie ważne jest, aby zapewnić szczelność instalacji.
2. Zapewnić minimalną rezerwę czynnika w instalacji w naczyniu wzbiorczym.
3. Zwracać uwagę na rodzaj materiału zastosowanego na membranę naczynia wzbiorczego. Powinien on charakteryzować się niską dyfuzyjnością, tak, aby naczynie nie traciło ustawionego ciśnienia i nie dopuszczało do przenikania powietrza do czynnika. Korzystnym materiałem jest tutaj kauczuk butylowy (IIR), mniej korzystnym klasyczny EPDM, lub NR, SBR i NBR.
4. Instalować (przeponowe) naczynie wzbiorcze po stronie ssawnej pompy obiegowej i w pomieszczeniach zapewniających całoroczną temperaturę dodatnią.
5. Instalować zawory bezpieczeństwa, dobrane w oparciu o wymagane obliczenia zasadniczych parametrów pracy.
6. Skorelować ze sobą ciśnienia – dopuszczalne ciśnienie pracy źródła ciepła, ciśnienia naczynia wzbiorczego i ciśnienia zaworu bezpieczeństwa.

Materiały źródłowe:
[1] Materiały katalogowe i prasowe firmy Caleffi
[2] Materiały katalogowe i prasowe firmy IMI Pneumatex
[3] Materiały katalogowe i prasowe firmy Kieselmann
[4] Materiały katalogowe i prasowe firmy SYR
[5] Muniak D.: Polskie Normy – (nie)obowiązkowość stosowania, Polski Instalator, 9/2021 (297), str.: 38–41
[6] Muniak D.: Zanieczyszczenia gazowe w instalacji ogrzewczej – jak się ich pozbyć?, Polski Instalator, 9/2023 (313), str.: 16–22
[7] Muniak D.: Zawory zwrotne antyskażeniowe w praktyce, Polski Instalator, 10/2022 (306), str.: 30–33
[8] PN-EN 12828+A1:2014-05: Instalacje ogrzewcze w budynkach Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania
[9] Polska Norma PN-B-02413:1991: Ogrzewnictwo i ciepłownictwo – Zabezpieczenieinstalacjiogrzewańwodnychsystemuotwartego–Wymagania
[10] Polska Norma PN-B-02414:1999: Ogrzewnictwo i ciepłownictwo – Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami w zbiorczymi przeponowymi – Wymagania
[11] Polska Norma PN-EN ISO 4126-1:2013-12: Urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym ciśnieniem – Część 1: Zawory bezpieczeństwa
[12] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U.02.75.690 z późn. zm.)
[13] Warunki Urzędu Dozoru Technicznego WUDT-UC-ZS/E:10.2003 – WarunkiUrzęduDozoruTechnicznegodlaUrządzeńCiśnieniowych,Wymienniki ciepła typu para – woda i woda – woda (z późn. zm.)

Dr hab. inż. Damian Piotr Muniak, prof. PK
Katedra Energetyki, Politechnika Krakowska
im. Tadeusza Kościuszki, Al. Jana Pawła II 37,
31-864 Kraków, Polska
Tel.: +48 12 628-35-52
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.