W artykule omówiono wpływ stosowania środków przeciwzamrożeniowych na parametry cieplno-hydrauliczne instalacji ogrzewczej z grzejnikami konwekcyjnymi. Dokonano porównawczej analizy teoretycznej i obliczeniowej pomiędzy sytuacją stosowania wody, jako czynnika grzewczego, oraz wodnego roztworu glikolu etylenowego i propylenowego. Wskazano, że stosowanie środków przecizamrożeniowych i ich roztworów w miejsce wody powodować może obniżenie mocy cieplnej grzejników, wzrost oporów hydraulicznych oraz, wynikowo, wzrost kosztów eksploatacyjnych instalacji i spadek jej sprawności.

Instalacje ogrzewcze przeznaczone są do zapewnienia i utrzymania żądanej temperatury w budynkach, zarówno z uwagi na wymagania dotyczące komfortu cieplnego użytkowników [3, 5], jak i obowiązujące regulacje prawne w tym zakresie [6]. Użytkowane są z zasady tylko w sezonie ogrzewczym, w którym wartości temperatury zewnętrznej są na tyle niskie, że zachodzi potrzeba ogrzewania pomieszczeń. Dotyczy to, w naszej strefie klimatycznej, okresu zwykle od wczesnej jesieni do wczesnej wiosny. W tym okresie instalacja jest eksploatowana ciągle, bądź z niedługimi przerwami. Są jednak takie przypadki, w których, pomimo trwania sezonu ogrzewczego, przerwa w pracy instalacji może być długa i sięgać od kilku dni, do nawet kilku miesięcy. Jest to powszechne w przypadku np. domków wczasowych i letniskowych, domków na działkach itp. Ekonomicznie niezasadne jest bowiem ogrzewanie tego typu obiektów w okresie, w którym nie są one użytkowane przez ludzi. W tym przypadku pojawia się jednak problem natury technicznej – w przypadku braku ogrzewania pomieszczeń i przy ujemnych wartościach temperatury zewnętrznej może dochodzić do zamarzania wody w instalacji. Jest to niekorzystne i niebezpieczne zjawisko, które skutkować może uszkodzeniami elementów i urządzeń instalacji oraz elementów konstrukcyjnych budynku i, w konsekwencji, wysokimi kosztami napraw i remontów. Woda bowiem, zamarzając, zwiększa swoją objętość właściwą i powodować może rozszczelnienia połączeń gwintowanych, a nawet pęknięcia rur i innych elementów instalacji, jak kotły, filtry, zawory itd. Niebezpieczny jest nawet niedługi czas przestoju instalacji w warunkach ujemnych wartości temperatury zewnętrznej, gdyż w takich przypadkach może dojść do miejscowych przymrożeń. Nie są one groźne dla rur, gdyż nie powodują ich pękania, ale mogą powodować tworzenie się zatorów i korków lodowych w instalacji, skutkujących awarią pomp obiegowych, armatury odcinającej i regulacyjnej, filtrów, a także grzejników.

Z uwagi na powyżej opisane zagrożenia powszechną i zasadniczo jedyną praktyką w przeszłości było spuszczanie wody z instalacji. Proces ten, aby przebiegł prawidłowo, wymaga odpowiedniego przygotowania instalacji oraz czasu. Ponadto instalacja po opróżnieniu musi być odpowiednio zabezpieczona przed dostępem powietrza atmosferycznego, gdyż opróżniona z wody jest bardzo podatna na korozję. Dodatkowo w momencie chęci uruchomienia instalacji należy ją powtórnie napełnić wodą, najkorzystniej odpowiedniej jakości, uzdatnioną. Wszystko to powoduje, że użytkownicy coraz częściej szukają tańszej i mniej czasochłonnej alternatywy. W ostatnich latach najbardziej popularne stało się napełnianie instalacji substancjami o niskich temperaturach zamarzania lub ich wodnymi roztworami. Najpopularniejsze to glikol etylenowy i glikol propylenowy oraz produkty uzyskane na ich bazie, z różnorakimi dodatkami. W zależności od stężenia roztworu można uzyskać różne wartości temperatury zamarzania.

Z reguły im większe stężenie, tym niższa temperatura zamarzania. Na rynku istnieje wiele produktów na bazie ww. substancji. Należy pamiętać, że nie wszystkie powinny być stosowane w instalacjach ogrzewczych, gdyż niektóre wykazują agresywne działanie w stosunku do stali węglowej, miedzi, aluminium, czy tworzyw sztucznych, powszechnie stosowanych w instalacjach. Niektóre z nich mogą być również toksyczne i niebezpieczne dla człowieka. Należy zatem wybrać taki produkt, który może być bezpiecznie zastosowany w danym typie instalacji. Pomocne tutaj mogą być wskazówki COBRTI „Instal” odnośnie substancji dopuszczonych do stosowania w instalacjach ogrzewczych, aprobaty techniczne ITB, a także deklaracje producentów.

Analiza wybranych parametrów fizycznych czynników używanych w instalacjach ogrzewczych
Czynnik grzewczy ma zasadnicze znaczenie jako medium pośredniczące w procesie wymiany i transportu ciepła od kotła do grzejnika. Właściwości fizyczne czynnika decydują zarówno o kosztach inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych instalacji. Powszechnie w tym celu używana jest woda. Posiada ona szereg korzystnych cech w porównaniu z innymi powszechnie dostępnymi substancjami:

• najwyższą wartość ciepła właściwego w odniesieniu do jednostki objętości,
• najwyższą wśród cieczy wartość ciepła właściwego w odniesieniu do jednostki masy i jedną z najwyższych wśród znanych substancji w ogóle;
• dość wysoką gęstość;
• relatywnie niewielką lepkość;
• relatywnie dobrą przewodność cieplną.

Te parametry mają decydujący wpływ na pojemność cieplną oraz efektywność transportu i wymiany ciepła pomiędzy elementami instalacji. Ponadto woda jest powszechnie dostępna, nietoksyczna, niepalna i tania.

Środki przeciwzamrożeniowe są pod tymi względami znacznie mniej atrakcyjne. Zarówno właściwości cieplne są znacząco słabsze, jak i dostępność, nietoksyczność oraz cena stawiają je na przegranej pozycji w stosunku do wody. Zwykle wybór pomiędzy glikolem etylenowym i propylenowym opiera się na porównaniu cen. Ten drugi jest najczęściej droższy, jest jednak – w przeciwieństwie do pierwszego – nietoksyczny. Z punktu widzenia poruszanego w niniejszym artykule zagadnienia interesują nas jednak tylko właściwości fizyczne mające wpływ na właściwości cieplne, w odniesieniu do wody. W tabeli 1 zestawiono istotne parametry cieplne wody, glikolu etylowego i propylowego oraz ich roztworów wodnych, dla temperatury 50°C.

Analizując tabelę, widać, jak duże są różnice między kluczowymi parametrami cieplno-hydraulicznymi wody i czynników przecizamrożeniowych. Np. woda, w porównaniu z glikolem etylenowym, posiada o około 1,66-krotnie wyższe ciepło właściwe, prawie 2,5-krotnie wyższą przewodność cieplną (parametr ten ma wpływ na współczynnik wnikania ciepła i intensywność wymiany ciepła w kotle i w grzejniku) i ponad 12-krotnie mniejszą lepkość, przy porównywalnej gęstości. Im mniejsze stężenie roztworu, tym te różnice są mniejsze, ale wyższa jest wówczas temperatura zamarzania i mniejszy temperaturowy zakres stosowania. Ogranicza to zatem praktyczną przydatność do wyższych wartości temperatury zewnętrznej.

Nadmienić należy, że wymienione parametry tych środków, a także ich roztworów, zależą silnie od temperatury, znacznie silniej, niż w przypadku wody. Obniżanie temperatury przeważnie jeszcze bardziej je pogarsza. Temperatura 50°C została wybrana jako pewien kompromis z uwzględnieniem typowych temperatur projektowych oraz średnich temperatur pracy instalacji ogrzewczych. Jednak przez większość sezonu ogrzewczego instalacja pracuje na częściowym obciążeniu i temperatury te są niższe. W praktyce zatem opisane wyżej zjawisko może dodatkowo przybierać na sile. Zwłaszcza istotne będzie to w przypadku instalacji niskotemperaturowych, np. z kotłami kondensacyjnymi, lub grzejnikami podłogowymi. Z punktu więc widzenia kosztów eksploatacyjnych instalacji połączenie gazowego kotła kondensacyjnego z grzejnikiem podłogowym, czyli coraz bardziej powszechne, przy stosowaniu jako czynnika grzewczego środka przecizamrożeniowego, jest szczególnie niekorzystne.

Wpływ rodzaju zastosowanego czynnika grzewczego na parametry cieplno-hydrauliczne pracy instalacji ogrzewczej
Porównanie parametrów analizowanych substancji i ich wpływ na parametry cieplno-hydrauliczne pracy instalacji ogrzewczej należy sprowadzić do analiz dwóch zagadnień:

• mocy cieplnej, jaką jest w stanie wymienić i przetransportować czynnik w jednostce masy, lub objętości;
• oporów hydraulicznych i strat ciśnienia przy przepływie tego czynnika w sieci przewodów.

Z obu powyższych kwestii wynikają koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Korzystnie jest, aby czynnik był w stanie wymienić, zmagazynować i przetransportować jak najwięcej ciepła w jednostce masy lub objętości, a więc posiadał jak najwyższą przewodność cieplną i wartość ciepła właściwego – wymagana jest wówczas mała wartość strumienia masowego czynnika. Korzystne jest także, aby przy tym charakteryzował się małą lepkością – małe są wtedy straty ciśnienia przy przepływie. Zarówno mała wymagana wartość strumienia masowego, jak i niskie straty ciśnienia wpływają pozytywnie na koszty eksploatacyjne, gdyż skutkują minimalizacją zużycia energii potrzebnej do pompowania czynnika – mniejsza jest zarówno wymagana moc pompy i jej cena, jak i późniejsze zużycie energii i koszty z tym związanie.

Moc cieplna niesiona przez czynnik grzewczy wyrażona może być zależnością: 

Przy danym, założonym wychłodzeniu, jest więc ona proporcjonalna do strumienia masowego i ciepła właściwego czynnika. Jeśli dwukrotnie zmniejszy się wartość ciepła właściwego, to dwukrotnie wzrosnąć musi wartość strumienia masowego. Strumień masowy ze stratami ciśnienia wiąże natomiast następująca zależność przybliżona [4]:

Zakładając stałą wartość oporu hydraulicznego (parametr będący funkcją właściwości czynnika oraz sieci przewodów), widać, iż 2-krotny wzrost wartości strumienia masowego czynnika skutkuje 4-krotnym wzrostem strat ciśnienia, a tym samym 4-krotnym wzrostem wymaganego ciśnienia pompowego.

Wymagana moc pompowania związana jest następującą zależnością ze strumieniem masowym i wytwarzanym ciśnieniem:

Zapisując ją w funkcji strumienia masowego, po uwzględnieniu zależności (2), stałości oporu hydraulicznego (r = const) i praktycznej nieściśliwości cieczy (ρ_cz = const), otrzymuje się uogólniony zapis:

Płynie z tego wniosek, że 2-krotny spadek ciepła właściwego czynnika wymaga 8-krotnie większej mocy pompy, a także 8-krotnie większego zużycia energii do pompowania, aby zachować tę samą moc cieplną. Dodatkowo jest tak tylko przy poczynionym wcześniej założeniu stałej wartość oporu hydraulicznego r. Nawet, jeśli analizujemy pracę w tej samej sieci przewodów, ale zmieniamy wodę na jeden ze wspomnianych czynników lub jego roztwór, to opór hydrauliczny również się zmienia. Jest on bowiem w przybliżeniu proporcjonalny do lepkości czynnika [2, 4]. Zgodnie z danymi z tabeli 1. lepkość wody, w rozpatrywanym zakresie temperatur pracy, jest kilkukrotnie niższa, niż alternatywnych porównywanych czynników. Wynika z tego, że zamiana wody na alternatywny czynnik powoduje wzrost oporu hydraulicznego, a tym samym dodatkowy wzrost wymaganej mocy pompowania, do ponad 8-krotności wartości początkowej. Sumarycznie zatem zarówno wymagana moc pompy, jak i zużycie przez nią energii rosną tym bardziej, im większy udział w roztworze ma czynnik przecizamrożeniowy.

Rozważyć można również alternatywne warianty. Chcąc skompensować spadek strumienia masowego czynnika, obniżonej wartości jego ciepła właściwego i niesionej mocy cieplnej, można podnieść temperaturę zasilania tz instalacji (temperatura na wyjściu ze źródła ciepła). Ten parametr jednak często nie daje dużego pola manewru „w górę” z uwagi na wymagane, bądź dopuszczalne warunki pracy kotła oraz innych urządzeń i elementów instalacji. W praktyce zatem najczęściej będziemy mieli do czynienia z sytuacją, w której, pomimo zamiany rodzaju czynnika grzewczego, nie zmieniono parametrów pracy instalacji, tj. zarówno ciśnienie pompy pozostało na poprzednim poziomie, jak i temperatura zasilania instalacji się nie zmieniła. W takiej sytuacji zawsze uzyska się spadek wydajności i sprawności instalacji oraz spadek mocy cieplnej grzejników. Skutkować to może zaniżaniem temperatury w pomieszczeniach i niemożnością uzyskania wymaganej jej wartości, niezależnie od nastaw termoregulatorów grzejnikowych i centralnych. To, o ile spadnie temperatura w danym pomieszczeniu zależy od parametrów cieplnych zastosowanego grzejnika i lokalizacji punktu pracy na jego statycznej charakterystyce cieplnej, a także od parametrów cieplnych pomieszczenia. Szczegółowo opisano to w pracach [3, 4, 5].

Porównawcza analiza obliczeniowa parametrów cieplno-hydraulicznych instalacji ogrzewczej pracującej z różnymi czynnikami grzewczymi
W celu zobrazowania wybranych praktycznych aspektów omawianego zagadnienia zaprojektowano typowej wielkości instalację ogrzewczą dla domku jednorodzinnego. Jest to instalacja pompowa, trójnikowa, z grzejnikami konwekcyjnymi (stalowymi, płytowymi, z wbudowanymi termostatycznymi wkładkami zaworowymi), zbudowana na bazie przewodów wielowarstwowych, pracująca na parametrach temperaturowych wody t_z/t_p = 55/45°C. Obsługuje ona dwie kondygnacje. Jej rzuty, w widoku danych do obliczeń, prezentują rysunki 1. i 2. Analizy dokonano w popularnym programie obliczeniowym z rodziny Audytor, mianowicie w programie Audytor C.O. 6.0. Pozwala on porównać wybrane aspekty omawianego zagadnienia (z uwagi na pewne praktyczne ograniczenia algorytmów programu nie wszystkie poruszone kwestie są w nim symulowane).

Przeanalizowano trzy warianty zastosowanego czynnika grzewczego: woda, 50% roztwór wodny glikolu etylenowego lub 50% roztwór wodny glikolu propylenowego. Zestawienie wyników obliczeń wielkości grzejników, nastaw wstępnych grzejnikowych zaworów regulacyjnych i wymaganych parametrów pompy obiegowej (wydajność i wytwarzane ciśnienie) zebrano w tabelach 2-4.

Wyniki zawarte w tabelach 2-4 potwierdzają tezę postawioną we wcześniejszych rozważaniach. Zmiana czynnika grzewczego z wody na wodny roztwór glikolu etylowego, bądź propylenowego, wymaga zwiększenia strumienia masowego, w celu zachowania tej samej mocy cieplnej dostarczanej do grzejników o określonych wymiarach – tabela 2. W przypadku np. glikolu etylowego jest to zmiana od wartości 0,1192 kg/s do wartości 0,1466 kg/s. Równocześnie – wydawać by się mogło – analizując tabelę 2., że paradoksalnie spada wymagane ciśnienie pompowe. Wynika to jednak stąd, że zwiększone zostały nastawy wstępne na zaworach grzejnikowych, w celu zmniejszenia dławienia – tabela 3. W przypadku typowym, gdy pozostawimy niezmienione parametry grzejników (ich wielkości), grzejnikowych zaworów regulacyjnych (ich nastawy wstępne), przewodów (ich średnice) i pompy (wytwarzane przez nią ciśnienie), po wykonaniu obliczeń program zwróci błąd o znacznie niższej wartości ciśnienia pompowego, niż minimalna wymagana wartość dla prawidłowej pracy instalacji – tabela 5. Minimalna wartość wynosi bowiem 7032 Pa, a wartość zadana, wynikająca z wcześniejszych obliczeń dla wody jako czynnika grzewczego, wynosi 4465 Pa. Wraz z wymaganą zmianą strumienia masowego od wartości 0,1192 kg/s do wartości 0,1466 kg/s oznacza to – zgodnie ze wzorem 3. i przy uwzględnieniu niemal tej samej wartości gęstości dla obu porównywanych czynników – wzrost wymaganej mocy pompowania o ponad 80%, a tym samym podobny wzrost zużycia energii elektrycznej i wartości tego składnika kosztów eksploatacyjnych:

Pod tym względem nieco korzystniejszy w tym przypadku jest roztwór droższego glikolu propylenowego. Wymagane ciśnienie pompowe wynosi bowiem 6587 Pa (nie pokazano w tabeli 5.), a przyrost zużywanej mocy pompowania:

Ponadto, w obu przypadkach, pojawiają się komunikaty o znacząco zwiększonych jednostkowych liniowych stratach ciśnienia w przewodach, w porównaniu z wariantem zastosowania wody. Może to skutkować wzrostem szumów w przewodach do nieakceptowalnych poziomów, niezależnie od tego, czy w celu osiągnięcia zamierzonych wartości przepływów zwiększono ciśnienie pompowe, czy nastawy zaworów regulacyjnych (grzejnikowych, równoważących).

Wnioski
Parametry cieplno-hydrauliczne urządzeń i elementów instalacji ogrzewczej wyznaczane i deklarowane są dla sytuacji, w której czynnikiem pośredniczącym w wymianie i transporcie ciepła jest woda. Dotyczy to zarówno np. mocy cieplnej grzejników i kotłów, współczynników przepływu (przepustowość) zaworów regulacyjnych, odcinających i bezpieczeństwa, jak i wysokości podnoszenia i wydajności pompy obiegowej. Prosta zamiana czynników grzewczych, w przypadku znaczącej różnicy w ich parametrach cieplno-hydraulicznych, prowadzi do istotnych różnic w osiąganych parametrach pracy instalacji i skutkuje jej rozregulowaniem cieplno-hydraulicznym, a także możliwym zaniżaniem temperatury w pomieszczeniach. Alternatywnie skutkuje zwiększonymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. Może także powodować zagrożenie dla bezpieczeństwa ludzi i urządzeń instalacji, z uwagi na zmianę parametrów eksploatacyjnych zaworów bezpieczeństwa. Te bowiem dobierane są dla czynnika w postaci wody w stanie ciekłym i jej stanu gazowego – pary wodnej. Zmiana substancji wpływa na przepustowość tego urządzenia [8] i może powodować zaniżanie jej, a tym samym ryzyko uszkodzenia zabezpieczanego urządzenia i zagrożenie dla osób znajdujących się w ich pobliżu. Każdorazowo zatem użytkownik powinien mieć na uwadze opisane zjawiska. Jedynie wówczas może podjąć świadomą i prawidłową decyzję. Sugerowanie się tylko radami instalatorów i projektantów niemających odpowiedniej wiedzy może bowiem czasem przynieść więcej szkody, niż pożytku.

Literatura
[1] „Engineering and Operating Guide for DOWFROST and DOWFROSTHD Inhibited Propylene Glycol-based Heat Transfer Fluids”. Materiały informacyjne firmy DOW Chemical Company, (http://msdssearch.dow.com/ PublishedLiteratureDOWCOM/dh_010e/0901b8038010e417.pdf?filepath=heattrans/pdfs/noreg/180-01286.pdf&fromPage=GetDoc).
[2] Muniak D.: Straty ciśnienia w sieci przewodów instalacji grzewczej. Opór hydrauliczny. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja. 44 (09): 373380. 2013.
[3] Muniak D.:Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne. WNT/PWN, Warszawa. 2016.
[4] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania. PWN, Warszawa. 2017.
[5] MuniakD.:Radiatorsinhydronicheatinginstallations.Structure,selection and thermal characteristics. Springer, Cham, Switzerland. 2017.
[6] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dziennik Ustaw Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
[7] Witryna www: http://www.mhtl.uwaterloo.ca/old/onlinetools/airprop/ airprop.html
[8] Zima W., Muniak D., Cisek P., Ojczyk G., Pacura P.: Zagadnienia cieplne, hydrauliczne oraz jakości wody w instalacjach grzewczych. Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków.

Spis symboli
c – ciepło właściwe, J/(kg·K)
m – strumień masowy, kg/s
P – moc pompowania, W
r – opór hydrauliczny odniesiony do strumienia masowego, (Pa·s2)/kg2
t_z – temperatura zasilania, °C
t_p – temperatura powrotu, °C
Δp – strata ciśnienia, ciśnienie czynne
ρ – gęstość, kg/m3
Q_g – moc cieplna niesiona przez czynnik grzewczy, W