Mówiąc o zabezpieczeniu instalacji centralnego ogrzewania, najczęściej mamy na myśli ochronę przed przekroczeniem maksymalnego ciśnienia lub maksymalnej temperatury czynnika grzewczego. Natomiast instalacje te muszą podlegać również ochronie przed takimi czynnikami jak nieodpowiednia jakość wody, zanieczyszczenia czy też gromadzące się powietrze. I właśnie temu ostatniemu zagadnieniu przyjrzymy się bliżej, starając się przy okazji rozprawić z różnymi błędnymi przekonaniami. Wskażę również podstawowe kryteria doboru elementów zabezpieczających.

Na początku postawię (zdawałoby się) banalne pytanie: skąd powietrze bierze się w instalacji grzewczej? – Oczywiście, znajduje się ono niemalże w każdym elemencie nowej instalacji, takim jak: rury, elementy grzejne, urządzenia itp. Napełniając system czynnikiem grzewczym, powodujemy usunięcie powietrza poprzez specjalnie przeznaczone do tego celu zawory. W przypadku nieprawidłowego zlokalizowania na etapie projektowania/ wykonywania elementów odpowiedzialnych za odpowietrzanie instalacji podczas jej napełniania, część powietrza może w niej jednak pozostać. Gdzie w takim razie powinno się zlokalizować armaturę odpowietrzającą? – Naturalnie w tych punktach instalacji, w których może dojść do gromadzenia się powietrza, tj.:

• w górnych częściach elementów grzejnych;
• we fragmentach instalacji omijających przeszkody;
• w długich odcinkach poziomych przewodów skręcających w dół;
• w górnej części pionów. 

Czy jeśli prawidłowo zlokalizujemy i zamontujemy elementy odpowietrzające oraz w odpowiedni sposób napełnimy instalację czynnikiem grzewczym, to problem występowania powietrza w instalacji nie będzie nas dotyczył? – Niestety nie, ponieważ powietrze do instalacji może również przedostawać się w podczas jej normalnej pracy!

Czynniki sprzyjające zapowietrzeniu instalacji
W przypadku otwartych układów centralnego ogrzewania, takim miejscem przedostawania się powietrza do instalacji jest oczywiście otwarte naczynie wzbiorcze. Inaczej wygląda sprawa w przypadku zamkniętych układów – tu wydaje się na pozór, że nie ma bezpośredniego kontaktu z powietrzem atmosferycznym, więc układ powinien być wolny od problemu zapowietrzenia podczas pracy. W rzeczywistości tak nie jest – gromadzenie się powietrza jest skutkiem kilku opisanych poniżej czynników, których oddziaływanie możemy ograniczyć, ale nie całkiem wyeliminować.

Praca w podciśnieniu. Powietrze może przedostawać się do tzw. układów zamkniętych poprzez elementy odpowietrzające, uszczelki i złączki pracujące w warunkach podciśnienia. Tak samo poprzez zawory odpowietrzające, które pracują w takich warunkach.

Dyfuzja poprzez materiał rur. Do przenikania powietrza może dochodzić również w instalacjach, w których zastosowano rury wykonane z polietylenu. Materiał ten stanowi barierę dla cząsteczek wody, natomiast sieć wiązań cząsteczek PE nie jest wystarczająco gęsta, aby powstrzymać powietrze. Wykonując instalację z tego typu materiału, należy koniecznie stosować produkty wyposażone w barierę antydyfuzyjną lub rury wielowarstwowe wyposażone we wkładkę z aluminium.

Uwalnianie rozpuszczonego powietrza podczas podgrzewania wody. Ilość powietrza, która może zostać rozpuszczona w wodzie, jest zależna od ciśnienia wody i jej temperatury. Zależność ta jest opisana prawem Henry’ego (wykresy na rys. 1 a, b), które określa ilość powietrza w litrach rozpuszczonego w 1 m3 wody w zależności od jej temperatury. Powietrze rozpuszczone w zimnej wodzie używanej do napełniania i uzupełniania zładu instalacji jest uwalniane podczas podgrzewania wody. Na przykład w instalacji o pojemności 1000 l podczas podgrzewu wody od 20 do 80°C przy ciśnieniu bezwzględnym 2 bar ilość powietrza uwolnionego wyniesie od 17 do 18 l.
Powietrze rozpuszczone w wodzie występuje w postaci mikropęcherzyków o średnicy rzędu dziesiątych części milimetra. W instalacjach grzewczych i chłodniczych znajdują się elementy, w których proces formowania się mikropęcherzyków odbywa się w sposób ciągły, np. kotły oraz urządzenia działające w warunkach kawitacji. Mikropęcherzyki są formowane w sposób ciągły na powierzchni oddzielającej wodę od komory spalania (rys. 2). Powietrze przenoszone przez wodę gromadzi się w krytycznych punktach instalacji, skąd musi zostać usunięte. Część tego powietrza jest ponownie absorbowana przez wodę.

Od zmniejszonej efektywności po korozję
Z tego, że powietrze jest niepożądane w instalacjach grzewczych, każdy zdaje sobie sprawę, warto jednak przyjrzeć się bliżej problemom, jakie może ono powodować.

Niedostateczna wymiana ciepła. Przewodność cieplna powietrza jest niższa niż wody. Powietrze gromadzące się w grzejnikach (rys. 3) oraz wymiennikach powoduje obniżenie ich sprawności wymiany ciepła. Niższa sprawność tych elementów może być przyczyną wysokich kosztów eksploatacji oraz niskiego poziomu komfortu.

Hałas w rurach i elementach grzewczych. Prawidłowo zaprojektowana i wykonana instalacja centralnego ogrzewania pracuje w sposób bezgłośny. Użytkownik w zasadzie nie powinien słyszeć przepływu czynnika przez przewody oraz elementy grzewcze. Sytuacja może jednak ulec zmianie w przypadku nieprawidłowo odpowietrzonego układu lub takiego, w którym woda niesie ze sobą mikropęcherzyki powietrza. Wypełnione częściowo powietrzem grzejniki mogą stanowić pewnego rodzaju akustyczne komory wzmacniające dźwięk. Hałas mogą również generować takie elementy jak zawory termostatyczne, gdzie może dochodzić do zjawiska kawitacji (rys. 4).

Niedostateczny przepływ. Pęcherzyki powietrza gromadzące się w pewnych punktach instalacji mogą ograniczać przepływ czynnika grzewczego lub nawet spowodować całkowity brak przepływu. Takie zjawisko jest szczególnie niebezpieczne w przypadku instalacji płaszczyznowych (rys. 5).

Korozja w instalacji. W powietrzu, które dostaje się do instalacji grzewczej, znajduje się około 23% tlenu. Gaz ten, w kontakcie z metalami, takimi np. jak stal i żeliwo, powoduje ich korozję. W instalacjach nieprawidłowo odpowietrzanych lub w takich, gdzie powietrze stale przedostaje się do wody grzewczej, może zatem występować problem korozji związanej z obecnością tlenu. Korozja powierzchni wewnętrznych instalacji w skrajnych warunkach prowadzi do powstania wycieków. Korozja może również powodować powstanie tlenku żelaza, który dostaje się do wody krążącej w systemie i może się gromadzić w poszczególnych elementach instalacji, np. pompach lub wymiennikach ciepła. W przypadku obecności tlenu w instalacji, w skład której wchodzą elementy z materiałów zawierających żelazo, może dochodzić do następujących reakcji chemicznych:

O₂ + Fe + 2H₂O → Fe (OH)₂ + H₂
3Fe (OH)₂ → Fe₃O₄ + H₂ + H₂O

Tlenek żelaza Fe₃O₄ zwany jest również magnetytem i w instalacjach grzewczych występuje w postaci ciemnoszarego osadu. Może on być gromadzony w poszczególnych elementach instalacji, powodując pogorszenie ich pracy. W przypadku ciągłej obecności powietrza w układzie, Fe₃O₄ może zostać przekształcony do Fe₂O₃, czyli hematytu, który bywa przyczyną korozji wżerowej. W ten sposób powietrze obecne w instalacji przyczynia się do powstania poważnego problemu, jakim są zanieczyszczenia.
Zjawisko kawitacji. Jest to proces, w którym w cieczy dochodzi do gwałtownego powstawania i zanikania pęcherzyków gazu – samo zjawisko związane jest ze zmianą ciśnienia cieczy. Procesowi temu towarzyszy implozja pęcherzyków gazu, co prowadzi do powstania fali uderzeniowej o bardzo dużej sile. W przypadku instalacji grzewczych kawitacja może wystąpić np. w pompach obiegowych, a jej skutkiem może być uszkodzenie wirnika pompy (rys. 7). 

Niezbędne wyposażenie instalacji
W jakie elementy należy zatem wyposażyć instalację grzewczą, aby mieć pewność, że powietrze będzie w 100% usuwane w sposób ciągły? – Poniżej scharakteryzuję poszczególne rodzaje takich elementów.

Pływakowe odpowietrzniki automatyczne. To podstawowe wyposażenie instalacji centralnego ogrzewania, które powinno być montowane na pionach i w miejscach, w których istnieje niebezpieczeństwo gromadzenia się powietrza (np. omijanie przewodami konstrukcji budynku). Zawory tego typu generalnie działają na dość prostej zasadzie: powietrze gromadzące się w ich korpusie powoduje opadanie pływaka i otwarcie elementu zamykającego, co umożliwia usunięcie powietrza. Aby uzyskać oczekiwany efekt zabezpieczenia, przy wyborze tych zaworów należy jednak zwrócić uwagę na:

• konstrukcję wewnętrzną odpowietrznika – czy zabezpiecza ona kanalik upustowy przed przenikaniem zanieczyszczeń z wody (rys. 8);
• wyposażenie dodatkowe, takie jak: zawory stopowe, elementy zabezpieczające przed przepływem zwrotnym powietrza, elementy higroskopijne;
• dane dotyczące maksymalnego ciśnienia pracy oraz ciśnienia upustu; dla urządzeń wysokiej jakości informacja taka podawana jest w dokumentacji technicznej; 
• ilość usuwanego powietrza, szczególnie w trakcie pracy urządzenia w instalacji; podobnie jak poprzednio, w przypadku wysokiej jakości urządzeń, informacja ta będzie podana w dokumentacji technicznej (rys. 9). 

Odpowietrzniki grzejnikowe. Występują w wersji ręcznej lub automatycznej (higroskopijnej). Wersja automatyczna może być wyposażona w pływak (rys. 10 b) lub dyski higroskopijne (rys. 10 c). W wersji ręcznej, aby usunąć powietrze, należy odkręcić pokrętło odpowietrznika i pozostawić e w pozycji otwartej do momentu pojawienia się wody. Zasada działania automatycznych odpowietrzników pływakowych jest natomiast zbliżona do automatycznych zaworów odpowietrzających: gromadzące się powietrze powoduje opadanie pływaka, który otwiera element odpowietrzający. W wersji automatycznej, w której zastosowane są specjalne dyski, wykorzystuje się z kolei zjawisko zmiany objętości tych dysków pod wpływem wody/powietrza. Napęcznienie dysków (woda) powoduje zamknięcie zaworu, a ich skurczenie się (powietrze) – otwarcie zaworu i odprowadzenie powietrza.
Przy wyborze odpowietrzników grzejnikowych należy zwrócić uwagę na:

• konstrukcję wewnętrzną zaworów;
• typ grzejnika (tzn. żeberkowy, czy płytowy) i do niego dopasować konkretny odpowietrznik;
• w przypadku zaworów higroskopijnych – na możliwość wymiany elementu higroskopijnego. 

Separatory powietrza. Montowane są na przewodzie zasilającym instalację, a zasada ich działania opiera się na wykorzystaniu kilku zjawisk fizycznych. Aktywna część zaworu składa się elementu, który wywołuje ruch wirowy wody w instalacji, co ułatwia uwalnianie się mikropęcherzyków. Pęcherzyki powietrza łączą się ze sobą, zwiększając swoją objętość do momentu, kiedy siła wyporu hydrostatycznego jest większa niż siła adhezji. Pęcherzyki unoszą się wówczas do góry urządzenia, gdzie są gromadzone, a następnie uwalniane przez automatyczny zawór odpowietrzający (rys. 11).

Wybierając separator powietrza, należy zwrócić uwagę na:

• konstrukcję wewnętrzną zaworu; 
• zalecaną prędkość przepływu; w przypadku urządzeń wysokiej jakości informacja ta będzie podana w dokumentacji technicznej;
• wymagany sposób montażu zaworu, tzn. odcinek poziomy, czy pionowy instalacji;
• efektywność usuwania powietrza; w przypadku urządzeń wysokiej jakości informacja ta będzie podana w dokumentacji technicznej;
• łatwość konserwacji urządzenia – powinien być zapewniony dostęp do wewnętrznych elementów separatora bez konieczności jego demontażu z instalacji. 

Podsumowując: powietrze w instalacjach centralnego ogrzewania może stanowić poważny problem, wpływając na żywotność zastosowanych komponentów, jak również na sprawność całego układu. Dzięki zastosowaniu automatycznych zaworów odpowietrzających, odpowietrzników grzejnikowych oraz separatorów powietrza jesteśmy w stanie zabezpieczyć instalacje przed zagrożeniami wymienionymi w tym artykule. Wybierając poszczególne elementy, należy jednak zwrócić szczególną uwagę na aspekty techniczne, o których wspominałem powyżej.