Dobór zaworu termostatycznego i głowicy, która nim steruje, jest równie ważny jak dobór prawidłowej wielkości i typu grzejnika, w równym stopniu decydując o warunkach komfortu cieplnego, temperaturze w danym pomieszczeniu i równowadze cieplnej w całym budynku, a ponadto o kosztach eksploatacji instalacji i jej równowadze hydraulicznej.

Grzejnikowe zawory termostatyczne – typy, parametry
Można wymienić wiele różnych cech konstrukcyjnych i parametrów tych urządzeń. Szczegółowy ich opis i wymagania można znaleźć w [1-3]. Z punktu widzenia projektanta lub instalatora istotnych jest kilka z nich, a także kilka dodatkowych cech wymienionych poniżej, mających wpływ na kwestie montażowe oraz eksploatacyjne. Większość z nich dotyczy także tzw. zaworowych wkładek termostatycznych, tj. urządzeń pozbawionych własnych korpusów, a montowanych do grzejników dolnozasilanych, najczęściej w ich górnych przyłączach zasilających (rys. 4c).

Figura zaworu. Zawory termostatyczne mogą mieć różne figury (rys. 1), przy czym najbardziej popularne są zawory proste i kątowe. Oprócz tego można spotkać zawory figury trójosiowej, UK, kątowej bocznej, kolanowo-kątowej itp. Czasami ta sama figura nazywana jest przez producentów w różny sposób.

Rodzaj przyłącza montażowego. Dostępne są zawory z przyłączami gwintowanymi, zaciskowymi i lutowanymi, a także klejonymi. Różnorodność ta wynika z faktu, iż łączone mogą być one z różnymi rurami i na różne sposoby – z rurami stalowymi poprzez skręcanie na gwincie, z rurami tworzywowymi poprzez zaciskanie, z rurami miedzianymi poprzez lutowanie. Ponadto w obrębie tych typów występują różne odmiany. Na przykład przyłącza gwintowane mogą być wykonane w oparciu o różne normy w zależności od wymogów danego kraju. Najczęściej gwinty stosowane w krajach Unii Europejskiej i podlegające normom unijnym są inne niż gwinty stosowane np. w USA i podlegające tamtejszym regulacjom.

Średnica i rodzaj przyłącza montażowego głowicy. Najbardziej popularne są przyłącza gwintowane M30 x 1,5 oraz M28 x 1,5. Firmy specjalizujące się w tym asortymencie często oferują analogiczne modele zaworów w obu wariantach. Ponadto spotkać można przyłącza gwintowane M23,5 x 1,5 (popularne w przypadku wkładek zaworowych), M30 x 1,0 i przyłącza zaciskowe. Oprócz tego istotne są kształt i wysokość elementu sterującego/nastawczego (rys. 2) oraz skok grzybka zaworu – w tym przypadku nie ma pełnej uniwersalności i niektóre zawory mogą nie pasować do niektórych głowic.

Przepustowość zaworu. Przepustowość zaworu wyrażana jest w [m3 /h], wartością tzw. współczynnika przepływu kv. Im większa jest jego maksymalna wartość, tym większa ilość wody może przepłynąć przez zawór przy danym ciśnieniu czynnym w instalacji i tym większej mocy odbiornik zawór może obsłużyć.

Nastawa wstępna. Jest to cecha konstrukcyjna zaworu umożliwiająca zdławienie nadmiaru ciśnienia w danym obiegu instalacji i tym samym ustawienie wymaganej przepustowości zaworu w zakresie od wartości maksymalnej, określonej wielkością i konstrukcją zaworu, do wartości minimalnej, określonej przez najmniejszą dostępną nastawę wstępną. Przed laty powszechnie dokonywano tego z użyciem kryz dławiących, stąd ciągle jeszcze w potocznym języku mówi się o „kryzowaniu” w przypadku zaworów z nastawą wstępną.

W praktyce dostępne są zawory z ciągłą nastawą wstępną oraz ze stopniowaną (dyskretną). Rozróżnienie wynika stąd, że w pierwszym przypadku jest możliwość ustawienia wartości pośredniej w sposób ciągły/płynny, a w drugim często jest to konstrukcyjnie niemożliwe i nastawienie wartości przebiega skokowo.

! Czasami utożsamia się zawory z ciągłą nastawą wstępną z zaworami precyzyjnej regulacji. Te pierwsze, z zasady, umożliwiają taką regulację. W przypadku tych drugich (np. zawór Herz TS-FV, rys. 4e) najczęściej nie jest możliwe dokładne, w sposób płynny, ustawianie wymaganej wartości przepustowości, ale to, że dostępne jest skokowe zadawanie relatywnie małej jej wartości, czego nie oferują inne, typowe zawory ze skokową regulacją. Dlatego określa się je mianem zaworów precyzyjnej regulacji.

Oprócz tego, w obu przypadkach, nastawa może być widoczna lub ukryta: numery nastawy wstępnej są widoczne na elemencie nastawczym, bądź w jego sąsiedztwie, albo numerów tych brak. Jest to zabezpieczenie przeciw ingerencji osób nieupoważnionych, które – zmieniając nastawę wstępną, np. na zaworach w swoim mieszkaniu – mogłyby zaburzyć równowagę hydrauliczną pozostałych obiegów instalacji w pozostałych mieszkaniach.

Dostępne są także zawory termostatyczne bez możliwości zadawania nastawy wstępnej, które nie pozwalają na wstępne ograniczenie maksymalnej przepustowości. Regulacja jest możliwa jedynie po zamontowaniu głowicy sterującej (bądź kołpaka ochronnego zwykle dostarczanego z każdym zaworem termostatycznym, rys. 1), która reguluje przepustowość tylko w sposób bieżący.

Zawory grzejnikowe bez możliwości zadawania nastawy wstępnej i te oferujące taką możliwość nazywa się kolejno: zaworami pojedynczej i zaworami podwójnej regulacji. W ślad za tym wyróżnia się regulację hydrauliczną pierwszego i drugiego stopnia. Zawory z możliwością zadawania nastawy wstępnej oferują obie metody regulacji, natomiast zawory bez możliwości zadawania nastawy wstępnej oferują tylko tę drugą.

Różne stopnie regulacji
Konieczność ograniczania przepustowości zaworu i zadawania jej konkretnej wartości wynika z tego, iż odbiorniki (grzejniki) o różnej mocy wymagają różnych wartości strumienia czynnika. Ponadto położone mogą być w różnych odległościach od źródła ciśnienia (np. pompy), w związku z czym nawet, jeśli wymagają takiej samej wartości strumienia czynnika, to czynnik ten, płynąc do różnie oddalonych grzejników, doznaje różnych spadków ciśnienia. Wobec tego w jednym przypadku będzie konieczne mniejsze zdławienie ciśnienia i przepływu, w innym przypadku większe. Aby nie stosować wielu różnych pod względem przepustowości zaworów, wynaleziono zawory podwójnej regulacji. Dzięki temu z użyciem jednego zaworu można obsłużyć wiele różnych odbiorników pod względem mocy cieplnej i wymaganego ciśnienia – wystarczy ustawić wymaganą przepustowość, zadając określoną wartość nastawy wstępnej.

Trzeba też mieć świadomość, że instalacja ogrzewcza jest układem naczyń powiązanych. Zmiana dławienia w jednym obiegu skutkuje redystrybucją ciśnienia i zmianami warunków pracy innych obiegów, w których – z tego powodu – również mogą zachodzić zmiany. Typowo zmniejszenie dławienia i w ślad za tym zwiększenie przepływu w jednym obiegu powoduje możliwość spadku przepływu w pozostałych obiegach i na odwrót [1, 2]. Dlatego też ograniczenie możliwości dokonywania zmian dławienia zaworu grzejnikowego do zakresu projektowego (określonego w projekcie instalacji) jest rzeczą bardzo ważną.

! Jak wynika z tej krótkiej analizy, zawory pojedynczej regulacji nie są rozwiązaniem korzystnym z punktu widzenia warunków eksploatacyjnych instalacji. Pojawia się więc pytanie – dlaczego istnieją dwa różne typy zaworów i kiedy stosuje się pierwszy typ?

Zawory pojedynczej regulacji są prostsze w konstrukcji i tańsze. Czasem właśnie z tego powodu są świadomym wyborem, niezależnie od innych przesłanek. Ponadto pozbawienie drugiego stopnia regulacji (zwykle w postaci dodatkowego elementu wewnątrz zaworu) sprawia, że charakteryzują się one wyższą przepustowością niż zawory podwójnej regulacji. Mogą znaleźć więc zastosowanie tam, gdzie wymagane są małe opory hydrauliczne przepływu czynnika. Takim przypadkiem są instalacje z obiegiem naturalnym (grawitacyjnym), pozbawione pomp. W instalacjach tych ciśnienie czynne jest relatywnie niskie i aby zapewnić odpowiedni przepływ czynnika, konieczne jest zapewnienie małych oporów hydraulicznych przez wszystkie elementy składowe: rury, grzejniki, łączniki instalacyjne oraz właśnie zawory. Z uwagi na to, iż instalacje grawitacyjne nie są już wykonywane oraz z powodu opisanych problemów eksploatacyjnych, jakie powodowane są brakiem możliwości regulacji wstępnej w tych zaworach, są one relatywnie rzadko stosowane.

Głowice grzejnikowe: typy i konstrukcje
Głowice grzejnikowe montowane są na zaworach termostatycznych jako elementy umożliwiające bieżącą regulację i stabilizację temperatury w pomieszczeniu. Najpopularniejsze ich typy to: głowice termostatyczne, elektroniczne, elektryczne, a także głowice z napędami termicznymi. Najbardziej powszechnym rozwiązaniem jest głowica termostatyczna. Stąd też wzięła się nazwa zaworów, z którymi są montowane do sterowania przepływem czynnika przez grzejniki – zawory termostatyczne.

Głowice termostatyczne. W ogólnym ujęciu zasada działania głowicy termostatycznej opiera się na zjawisku rozszerzalności cieplnej użytej w czujniku głowicy substancji, w postaci cieczy lub ciała stałego, albo wzroście prężności użytego gazu i przekształcaniu tego zjawiska na ruch posuwisto-zwrotny popychacza, sterującego grzybkiem zaworu, zamykając go lub otwierając. Szczegółowo opisano to w [1, 2].
Obecnie istnieje kilka podstawowych rozwiązań konstrukcyjnych głowicy termostatycznej:

• z czujnikiem i zadajnikiem wbudowanym w głowicę (rys. 5a);
• z czujnikiem zdalnym (wyniesionym), połączonym kapilarą z zadajnikiem głowicy (rys. 6a);
• z wyniesionym czujnikiem i zadajnikiem (rys. 6b);
• z zadajnikiem zdalnym (wyniesionym), połączonym kapilarą z czujnikiem;
• z głowicą zdalną (wyniesioną), tj. zdalnymi czujnikiem i zadajnikiem, połączonymi kapilarą.

Urządzenia z czujnikiem i zadajnikiem wbudowanym w głowicę są najpopularniejsze i najtańsze. Głowicę termostatyczną z wyniesionym czujnikiem, jako drugie najbardziej popularne rozwiązanie, stosuje się wówczas, gdy nie jest możliwe zapewnienie urządzeniu optymalnych warunków pracy, tj. braku zabudowy i zasłonięcia oraz swobodnego przepływu powietrza. Czujnik montuje się wówczas w miejscu, w którym pomiar temperatury jest reprezentatywny dla danego pomieszczenia i łączy się go z głowicą za pomocą rurki kapilarnej (rys. 6b).

Czujnik głowicy, jak wspomniano, może działać przy wykorzystaniu różnych substancji: cieczy, ciała stałego, gazu. Wybór substancji dyktowany jest kilkoma wymaganiami. Głowica powinna charakteryzować się dużą czułością na zmiany temperatury, aby odpowiednio silnie reagować, sterując zaworem. Jednocześnie czujnik powinien mieć jak najmniejszą bezwładność cieplną, aby zapewnić szybką reakcję na zmiany temperatury otoczenia. Obecnie najpopularniejsze są głowice termostatyczne z czujnikiem cieczowym, które wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieplnej użytego medium. Jest to rozwiązanie dość tanie i uniwersalne. Zauważalnie droższe jest rozwiązanie z czujnikiem parowym, wykorzystującym zjawisko zmiany prężności pary. Ma ono jednak pewne zalety w stosunku do klasycznych głowic termostatycznych wykorzystujących ciecz. Do podstawowych należy zaliczyć większą czułość na zmiany temperatury otoczenia oraz mniejszą bezwładność cieplną skutkującą szybszą reakcją. Obie te cechy przekładają się na lepszą stabilizację temperatury zadanej oraz mniejsze koszty eksploatacyjne instalacji.

Głowice elektroniczne (rys. 5b). Działają na innej zasadzie niż głowice termostatyczne i pozbawione są ich podstawowych wad, takich jak np. proporcjonalny charakter działania, skutkujący niemożnością dokładnej regulacji i stabilizacji temperatury w pomieszczeniu. Dzięki temu pozwalają dodatkowo zwiększyć komfort cieplny i obniżyć koszty eksploatacji. Ponadto umożliwiają programowanie czasu pracy, czasowe obniżenie temperatury w pomieszczeniu lub całkowite wyłączenie grzania, wykrywanie otwartego okna i przymykanie zaworu, sterowanie zdalne z użyciem np. smartfona itp. Wadą w stosunku do głowic termostatycznych jest to, że wymagają dodatkowego źródła zasilania, najczęściej w postaci baterii, oraz że są znacznie droższe.

Jaki zawór termostatyczny i jaka głowica?
Kompletując zestaw termostatyczny, korzystnie jest dobierać urządzenia według poniższych wskazówek:

• zawór termostatyczny powinien być zaworem podwójnej regulacji, tj. z możliwością zadawania nastawy wstępnej;
• głowica sterująca zaworem powinna mieć jak największą czułość przy jak najkrótszym czasie reakcji, wynikającym z małej pojemności cieplnej. W przypadku głowic termostatycznych bardzo dobrym wyborem z aktualnie dostępnych urządzeń są głowice z czujnikiem gazowym/parowym. Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest głowica elektroniczna;
• korzystnie jest stosować termoregulatory z certyfikatem TELL, o możliwie najwyższej klasie energetycznej;
• zawór regulacyjny i głowica termostatyczna powinny być do siebie dopasowane pod względem wymiarów gwintów montażowych, skoku grzybka i wysokości elementu montażowego. Przeważnie, w ramach danego typoszeregu gwintów montażowych, zawory różnych producentów są kompatybilne z głowicami innych producentów, ale są wyjątki od tej reguły.

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2016
[2] Muniak D.: Regulation fixtures in hydronic heating installations. Types, structures, characteristics and applications, Springer, Cham 2018
[3] Polska Norma – Europejska Norma PN-EN 215:2005+A1:2006: Termostatyczne zawory grzejnikowe. Wymagania i metody badań
[4] http://cert-trv.cen.eu/english/
[5] http://hydromex.eu/
[6] https://ehydraulika.pl/
[7] https://www.tanie-ogrzewanie.pl/poradniki-abc/jaki-zawor-i-glowicado-grzejnika.html
[8] https://www.tell-online.eu/cms/
[9] www.lazienkaplus.pl
[10] www.multimex.com.pl