Streszczenie
W artykule omówiłem tematykę stacji mieszkaniowych, jako rozwiązania alternatywnego w stosunku do klasycznych rozwiązań dostarczania cieplej wody użytkowej i czynnika do instalacji ogrzewczej w lokalach budynków wielomieszkaniowych, wyposażonych w węzły cieplne. Opisałem zasadę działania stacji mieszkaniowych i dokonałem porównania obu rozwiązań z punktu widzenia użyteczności, funkcjonalności i potencjalnych kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych.

O stacjach mieszkaniowych słów kilka
Stacje mieszkaniowe, zwane też stacjami wymiennikowymi, mieszkaniowymi węzłami cieplnymi, węzłami kompaktowymi, bądź – potocznie – logotermami (od nazwy jednego z pierwszych rodzimych producentów tego typu urządzeń), to urządzenia do lokalnego przygotowania c.w.u. i sterowania mieszkaniowymi instalacjami ogrzewczymi. Integrują w sobie elementy i urządzenia pozwalające w sposób automatyczny przygotować c.w.u. i kontrolować jej temperaturę, sterować instalacją ogrzewczą, dokonać opomiarowania zużycia wody i energii oraz uprościć instalację rurową rozprowadzjącą czynnik w budynku.

Schemat typowej stacji mieszkaniowej pokazano na rys. 1. Główne elementy stacji to wymiennik ciepła, najczęściej płytowy (1), i hydrodynamiczny regulator przepływu, zwany często PM-reglerem (2). Pozostałe urządzenia to elementy pomocnicze, jednak ważne, a niekiedy niezbędne do prawidłowej pracy stacji i obsługiwanych przez nią instalacji.

W czasie, w którym nie ma poboru c.w.u., czynnik zasilający stację nie przepływa przez wymiennik i nie oddaje w nim ciepła do wody zimnej.

Zatem cały strumień masy i cala energia przekazywane są do instalacji ogrzewczej. W chwili pojawienia się poboru c.w.u. PM-regler włącza obieg przez wymiennik, kierując na niego tym więcej czynnika zasilającego stację, im większy jest pobór c.w.u., zmniejszając tym samym ilość czynnika i temperaturę podawaną na instalację ogrzewczą. Głowica termostatyczna (3), której czujnik zamontowany jest na przewodzie c.w.u., steruje zaworem termostatycznym na którym jest zamontowana, aby zachować odpowiednią temperaturę c.w.u., ustawioną na głowicy.

Aby utrzymać gotowość do przygotowywania c.w.u. nawet w okresach, w których nie ma poboru czynnika przez instalację ogrzewczą, głowica termostatyczna (5) wraz z zaworem termostatycznym (4) spinającym zasilanie z powrotem, utrzymuje krążenie czynnika przez instalację rozprowadzającą, nie pozwalając na jego zbytnie wychłodzenie się w rurach.

Instalacja ogrzewcza wyposażona jest m.in. w stabilizator różnicy ciśnienia (7). W przypadku stacji mieszkaniowych jest on elementem niezbędnym do prawidłowej pracy instalacji z uwagi na wysokie wymagane ciśnienie dyspozycyjne na stacji, zbyt wysokie dla termoregulatorów grzejnikowych (potencjalne szumy, gorsza jakość regulacji). Stabilizator obniża to ciśnienie, ale także stabilizuje jego wartość, uniezależniając się od wahań ciśnienia w sieci rozprowadzającej.

Na rynku dostępne są też warianty stacji bardziej rozbudowane – np. z dodatkowym wymiennikiem ciepła na instalację ogrzewczą, wbudowaną pompą cyrkulacyjną do c.w.u, naczyniem wzbiorczym, rozdzielaczem, układem pompowo-mieszającym do ogrzewań płaszczyznowych, stabilizatorem różnicy ciśnienia na wejściu do stacji, itd.

Stacja mieszkaniowa jest zatem rodzajem dwufunkcyjnego źródła ciepła, z priorytetem c.w.u. – analogicznie, jak w przypadku dwufunkcyjnych kotłów gazowych.

Rozwiązanie klasyczne
W klasycznym, starym rozwiązaniu, w którym blok posiada jednofunkcyjny węzeł cieplny, woda zimna i czynnik do instalacji ogrzewczej dostarczane są do danego mieszkania niezależnymi przewodami. Przewody instalacji ogrzewczej mogą być doprowadzane w postaci pionów instalacyjnych, biegnących przez wszystkie kondygnacje – wówczas jest ich najczęściej kilka w mieszkaniu, np. w kuchni, w łazience, w pokoju, a każdy zasila zwykle maksymalnie dwa grzejniki. Starsi czytelnicy dobrze znają ten standard. Pomijając pewne wariacje tego rozwiązania (rozprowadzenie pionowo-poziome, z parą przewodów biegnącą przy ścianach), w nowszych realizacjach do mieszkania dostarczana jest tylko jedna para przewodów instalacji ogrzewczej, zasilając tzw. rozdzielacz [2], z którego czynnik rozprowadzany jest, najczęściej w podłodze, osobnymi przewodami do poszczególnych grzejników w obrębie mieszkania. Ewentualnie rozdzielacz znajduje się na klatce schodowej, skąd biegną przewody do mieszkania. Generalnie – od dłuższego czasu stosowane jest rozprowadzenie przewodów poziome, a nie pionowe. Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest zaś przez przepływowy podgrzewacz wody, np. przez kocioł gazowy, albo przez zasobnikowy boiler elektryczny.

W nowszych rozwiązaniach, w których bloki posiadają dwufunkcyjne węzły mieszkaniowe, także ciepła woda użytkowa dostarcza jest do mieszkania, także dwoma przewodami. Piszę o dwóch przewodach dlatego, że najczęściej wraz z przewodem głównym, zasilającym, biegnie przewód cyrkulacyjny (więcej na ten temat przeczytać można w artykule [4]). W takim przypadku w mieszkaniu nie ma kotła gazowego, ani boliera elektrycznego, ale za to w szachcie instalacyjnym budynku biegnie pięć przewodów rozprowadzających – dwa do c.o., dwa do c.w.u. i jeden do wody zimnej i do nich łączone są odejścia do mieszkań. Przykłady omówionych rozwiązań prezentują rysunki 2-4.

Zalety i wady stacji mieszkaniowych – ocena subiektywna
To, czy dane rozwiązanie zostanie wybrane przez klienta, czy też nie, zależy od wielu czynników, ale generalnie chodzi o to, aby było to rozwiązanie m.in. prostsze w obsłudze, wygodniejsze, bardziej niezawodne i – oczywiście – tańsze, niż inne rozwiązania. Słowem – lepsze. Bilans tych czynników postrzegany może być różnie w zależności od osoby, ale generalnie każdy wolałby mieć coś lepszego, niż coś gorszego, jeśli budżet nie byłby czynnikiem ograniczającym.

Stacje mieszkaniowe, w odniesieniu do klasycznych rozwiązań, promowane są licznymi argumentami przez producentów tego typu urządzeń. Najważniejsze z nich przytaczam poniżej, wraz z moim komentarzami.

1. Przygotowanie c.w.u. odbywa się dzięki zastosowaniu płytowego wymiennika ciepła i w sposób dynamiczny, jedynie w czasie poboru. Dzięki temu można zrezygnować z typowego, centralnego zasobnika do magazynowania c.w.u.. Maleje dzięki temu ryzyko rozwoju groźnych dla zdrowia bakterii Legionella. Niwelowane są także postojowe straty ciepła, jakie generuje zasobnik c.w.u..
   Tak, minimalizacja, lub nawet całkowite wyeliminowanie zagrożenia bakteriami Legionella to fakt –zimna woda sieciowa jest podgrzewana na bieżąco w przeponowym wymienniku ciepła, a nie pobierana bezpośrednio z instalacji/zasobnika, w którym trwa ona w stagnacji i relatywnie wysokiej temperaturze, czyli w warunkach sprzyjających rozwojowi tych bakterii. Nawet, jeśli w sieci rozprowadzającej znajdują się ww. bakterie, to – jeśli wymiennik ciepła jest szczelny – nie przedostaną się one do instalacji c.w.u.
   Co do całkowitej możliwości rezygnacji z zasobnika buforowego – nie jest to prawdą. Moc źródła ciepła w przypadku konieczności równoczesnego obsługiwania obu instalacji dobierana jest z uwzględnieniem projektowej, tj. maksymalnej mocy instalacji c.o. oraz maksymalnej mocy c.w.u., ale zredukowanej o współczynnik nierównomierności poboru, który zakłada, że nie wszyscy użytkownicy (mieszkania) naraz pobierają c.w.u.. Jeśli źródło ciepła miałoby równocześnie obsłużyć maksymalne moce instalacji c.o. i wszystkich odbiorników c.w.u., to jego moc byłaby bardzo wysoka i nierzadko kilkukrotnie przekraczająca moc instalacji c.o., z uwagi na dużą moc części c.w.u. Wystarczy spojrzeć na moc typowego przepływowego podgrzewacza gazowego, instalowanego w łazienkach – waha się od kilkunastu kW do ok. 20 kW. Natomiast typowe jednostkowe projektowe obciążenie cieplne mieszkania wykonanego zgodnie z obecnie panującymi standardami energetycznymi to nie więcej, niż ok. 50W/m² . Dla mieszkania o powierzchni np. 60m² daje to 3kW mocy instalacji c.o., czyli kilkukrotnie mniej, niż dla instalacji c.w.u. Projektowanie na maksymalne moce obu instalacji byłoby więc nieuzasadnione ekonomicznie, z uwagi na wysoki koszt zakupu przewymiarowanego źródła ciepła oraz późniejsze podwyższone koszty eksploatacyjne, warunkowane jego pracą na niskim obciążeniu i wynikającej z tego obniżonej sprawności przez większość czasu (maksymalne pobory c.w.u. występują przez bardzo niewielką część czasu pracy źródła ciepła). W przypadku dużej instalacji, z uwagi na pojemność wszystkich przewodów, urządzeń, itp., już sama ona może służyć jako bufor ciepła i wtedy faktycznie można zrezygnować z dodatkowego zasobnika. Jednak nawet ten fakt nie likwiduje tej potrzeby całkowicie, gdyż (zwłaszcza) w okresie poza sezonem ogrzewczym, kiedy instalacja c.o. nie pracuje i nie ustala się dzięki temu określony, średni poziom pobieranej mocy, wahania tego parametru dyktowane są tylko wahaniami poboru mocy na potrzeby przygotowania c.w.u. Gdy poboru c.w.u. nie ma, to moc jest niemal zerowa. Gdy występuje np. poranny, lub wieczorny szczyt poboru c.w.u., to wymagana moc jest bardzo wysoka. Źródło ciepła, jeśli jest to np. kocioł, pracuje w mocno zmiennych warunkach, z ryzykiem częstego włączania się i wyłączania. Problem jest mniejszy w przypadku węzła cieplnego, którego nie trzeba rozpalać i wygaszać, ale również dla niego praca w takich warunkach nie jest korzystna.
   Właśnie z uwagi na to, a także z powodu konieczności redukcji i uśrednienia pobieranej mocy chwilowej i zapewnienia źródłu ciepła pracy w stabilnych warunkach, stosuje się zasobniki buforowe. Zatem wracamy do rozwiązań właściwych instalacji klasycznej i chociaż minimalizujemy/likwidujemy zagrożenie bakteriami Legionella, to pozostaje problem postojowych strat ciepła takiego zasobnika (tutaj nie jest to zasobnik tylko do c.w.u., ale do całej instalacji zasilającej stacje) i sam fakt kosztów jego zakupu, oprzyrządowania i montażu.
   Ponadto, stacje mieszkaniowe mają dodatkowe wymagania dot. czynnika zasilającego, aby być w stanie przygotować c.w.u. o określonych parametrach. Czynnik zasilający stację musi mieć odpowiednio wysoką temperaturę, zwykle kilka o C wyższą, niż docelowa temperatura c.w.u. na wyjściu ze stacji. Ponadto odpowiednio wysokie musi być ciśnienie czynne w instalacji. Oba te warunki wynikają w naturalny sposób z zastosowania dodatkowych urządzeń pośredniczących w procesie wymiany ciepła i masy – przede wszystkim płytowego wymiennika ciepła, wprowadzającego pewne straty ciepła i opory hydrauliczne przepływu czynnika, i regulatora hydrodynamicznego, również wprowadzającego opory hydrauliczne i działającego płynnie w ściśle określonym zakresie ciśnień. Wyższa temperatura i wyższe ciśnienie czynnika przekłada się na wyższe nakłady energetyczne i wyższe koszty przygotowania c.w.u.. 
2. Zmniejszone straty postojowe c.w.u. dzięki likwidacji przewodów rozprowadzających tej instalacji.
   W klasycznej instalacji rozprowadzającej c.w.u., w której występują dwa przewody i którymi czynnik cały czas krąży (a przynajmniej powinien krążyć), aby woda nie wychłodziła się i odpowiednia jej temperatura była dostępna od razu po rozpoczęciu poboru, występują straty ciepła, gdyż przewody są cały czas nagrzane. W rozwiązaniu ze stacjami mieszkaniowymi tych przewodów nie ma, a więc nie ma też tych strat, prawda? Niezupełnie. W sezonie ogrzewczym, podczas którego pracuje instalacja c.o., czynnik cały czas krąży w sieci rozprowadzającej, zasilając stację, „przy okazji” utrzymując także ciągłą gotowość do przygotowania c.w.u.. Można więc uznać, że zbędnych strat nie ma. A co, gdy sezon się kończy i instalacja c.o. tego nie potrzebuje? Ano i tak czynnik musi krążyć, bo potrzebuje tego instalacja c.w.u.. Tak więc postojowe straty ciepła, związane z cyrkulacją czynnika, nadal występują. Ponadto, w przypadku klasycznej instalacji woda zasilająca część c.o. ma temperaturę regulowaną w zależności od temperatury zewnętrznej i jest tym niższa, im wyższa jest temperatura zewnętrzna. W przypadku instalacji ze stacjami mieszkaniowymi temperatura czynnika krążącego i zasilającego stację musi być przez cały rok na wysokim poziomie, aby pokryć wysokie zapotrzebowanie temperaturowe na c.w.u. (wymagane prawnie minimum 55^oC + wspomniana nadwyżka kilku o C). Wyższe temperatury pracy to wyższe straty ciepła.
3. Często wskazuje się, iż stacje mieszkaniowe są rozwiązaniem energooszczędnym. Niekiedy powołuje się w tej argumentacji na tabelę 12 w załączniku 1 do rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku (Dz.U. 2015 poz. 376), gdzie zapisano, że charakteryzują się one średnią roczną sprawność przesyłu ciepła ze źródła do zaworów czerpalnych wynoszącą 0,85, czyli wartością najwyższą ze wszystkich tam wymienionych systemów, co przekłada się również na teoretycznie niższe wartości obliczeniowe wskaźnika EP (energii pierwotnej). Pomijając „renomę” tego dokumentu wśród specjalistów z branży (nie bez powodu używa się określenia „mitodologia”), stawianie takiej tezy wynika z błędnej interpretacji tego zapisu i zapominaniu o prawach fizyki. Otóż, oczywiście, w przypadku przesyłu wody do punktu czerpalnego z samej stacji, zlokalizowanej w praktyce blisko niego, sprawność jest wysoka i może być wyższa, niż przy przesyle wody do punktu czerpalnego z zasobnika umieszczonego w kotłowni/węźle kilka pięter niżej. Problem w tym, że stacja mieszkaniowa nie jest źródłem ciepła, a tylko pośrednikiem w jego przekazywaniu. Wszak nie spalamy tam paliwa, aby podgrzać wodę, prawda? Do stacji mieszkaniowej czynnik płynie z faktycznego źródła ciepła, np. właśnie tego zasobnika zlokalizowanego w kotłowni/węźle kilka pięter niżej, doznając po drodze omówionych wcześniej strat ciepła i wymagając dodatkowych nakładów energii (straty na cyrkulacji, straty w zasobniku, straty na dużej mocy pompowania, itp.). Faktyczna, całkowita sprawność, to sprawność systemu, który przygotowuje i doprowadza czynnik do stacji, pomniejszona o wpływ stacji, jako elementu dodatkowego w układzie, pośredniczącego w wymianie ciepła i masy i w naturalny sposób generującego straty energii. Wszak przekładnia mechaniczna pomiędzy silnikiem a wałem napędowym nie zwiększa sprawności układu, a zmniejszą ją, elektroenergetyczna sieć dystrybucyjna pomiędzy elektrownią a lokalną stacją transformatorową nie zwiększa sprawności całkowitej wytwarzania i dostarczania energii, a zmniejszą ją, a ważenie się poprzez ustawienie dwóch wag i wejście na każdą z nich jedną nogą nie oznacza, że ważymy np. 50 kg, pomimo tego, że przecież obie wagi pokazują zgodnie i niezależnie 50 kg.
4. Zmniejszona liczba przewodów w sieci rozprowadzającej – 3 zamiast 5. Dzięki temu mniejsza jest wymagana ilość miejsca na szacht instalacyjny, a więcej tego miejsca można przeznaczyć na powierzchnię lokali. Dodatkowo obniża się koszt zakupu rur. Sumarycznie bardziej opłaca się to deweloperowi.
   Czy faktycznie dwa przewody mniej to zysk, i to w dodatku tak znaczący, aby miał przekonać inwestora/dewelopera? Spójrzmy na zdjęcie numer 5, na którym pokazano rzeczywistą realizację instalacji ze stacjami mieszkaniowymi i porównajmy to ze zdjęciem numer 4, obrazującym rozwiązanie klasyczne. Ta przestrzeń na zdjęciu numer 5 musiała być dodatkowo wygospodarowana na stacje mieszkaniowe i widać, że zmieścić tam można by maksymalnie cztery stacje, obsługujące cztery mieszkania. Instalacja na zdjęciu numer 4 obsługuje pięć mieszkań, a szacht jest mniejszy. Schematyczne porównanie obu rozwiązań zaprezentowano na rysunku 6.
   Odnośnie do kosztów – owszem, dwa przewody mniej na długości tych 3 metrów wysokości kondygnacji to pewna oszczędność, ale typowa stacja mieszkaniowa kosztuje nawet kilka tysięcy złotych, a ponadto doprowadzone do niej muszą być przewody o większej średnicy, niż w instalacji klasycznej, a więc – droższe.
5. Możliwość zabudowy urządzeń do pomiaru zużytej wody i pobranego ciepła. Zgoda, ale tak samo można tego dokonać poza stacją, na przewodach biegnących do mieszkania, instalując urządzenie pomiarowe na specjalnej, prostej konsoli, np. w szafce rozdzielaczowej, która i tak w przypadku instalacji rozdzielaczowej musi być zastosowana – a instalacje takie to teraz standard. Urządzenia te można także zamontować w szachcie instalacyjnym jak pokazano na rysunku 4.
6. Integracja upraszcza montaż, kwestie serwisowe oraz ewentualne przeglądy i naprawy, obniżając koszty i czas pracy instalatorów na budowie. Ponadto zwiększa to niezawodność systemu.
   Owszem, integracja daje tę korzyść, że wszystkie kluczowe elementy i urządzenia są blisko siebie i są łatwo dostępne oraz łatwe w serwisowaniu. Montaż również jest szybszy, co sumarycznie może dać niższe koszty podczas instalacji. Ale czy zwiększa to niezawodność systemu? Jeśli ktoś z czytelników miał do czynienia ze stacjami mieszkaniowymi, to wie, że nie jest to rozwiązanie bardziej niezawodne, niż rozwiązanie klasyczne. I nie ma w tym czegokolwiek dziwnego – stacje to urządzenia nierzadko dość skomplikowane i wyposażone w precyzyjną armaturę regulacyjną, a im bardziej skomplikowany mechanizm, tym bardziej jest on zawodny.

A na deser
Stacje mieszkaniowe są obecne na polskim rynku już od wielu lat, a ciągle są relatywnie rzadko stosowanym rozwiązaniem. Może to być dla producentów swego rodzaju odpowiedzią rynku na ten produkt.

To, co może przemawiać za stacjami mieszkaniowymi to fakt, że łatwiej jest projektować instalacje wyposażone w takie rozwiązania. Projektanci nie muszą bowiem dobierać większości armatury i jej parametrów, gdyż ta jest już wbudowana w stację i – w założeniu – dobrana i ustawiona jest przez producenta. Prostsze i krótsze są też prace instalacyjne w tego typu rozwiązaniu.

Ze punktu widzenia klienta i jego spokojnego snu – jeśli już decydować się na takie rozwiązanie, to najlepiej zaopatrzyć się u dostawcy, który składa stacje z możliwie dużej ilości własnych produktów, a nie posiłkuje się poddostawcami. Wówczas można oczekiwać większej niezawodności.

Podsumowując i równocześnie nawiązując do podtytułu artykułu – tort weselny wygląda efektownie, bo ma dużo różnych warstw. Ale z tego samego powodu nie jest najsmaczniejszy.

Materiały źródłowe:
[1] Materiały katalogowe i prasowe firmy Danfoss
[2] Materiały katalogowe i prasowe firmy Herz
[3] Muniak D.: Podłączenie grzejników: rozwiązania systemowe, zestawy podłączeniowe, Polski Instalator, 9/2021 (297), str.: 18-23
[4] Muniak D.: Termostatyczne zawory mieszające w instalacji c.w.u., Polski Instalator, 4-5/2022 (302), str.: 22-26
[5] Witryna www: http://pl04.szpital.kolobrzeg.pl/realizacja-biezacych-prac/