Poprzednie dwa artykuły z naszego cyklu były poświęcone regulacji temperatury ogrzewania podłogowego oraz zabezpieczeniu grzejnika przed przegrzaniem dla układów z jedną pętlą grzewczą. Pozwoliło to w możliwie prosty sposób omówić funkcje poszczególnych elementów składowych samych układów regulacji. Jednak w praktyce układy takie wykonywane są najczęściej dla wielu pętli grzewczych, czyli wielu grzejników. W tej części zajmiemy się więc regulacją temperatury oraz regulacją hydrauliczną układów wielopętlowych. Temat dopełnią porady praktyczne w zakresie regulacji tego typu instalacji.

Układy z jedną pętlą ogrzewania płaszczyznowego mają naturalne ograniczenie, polegające na tym, że mogą służyć do ogrzewania lub wspomagania ogrzewania tylko jednego pomieszczenia. Takie ograniczenie wynika z kilku powodów. W przypadku ogrzewania podłogowego w małych pomieszczeniach będą to jego ściany, a w dużych pomieszczeniach – dylatacje. Na grzejniku podłogowym nie powinna być bowiem postawiona żadna ściana ze względu na konieczność dylatacji grzejnika od stałych przegród.

Teoretycznie jest oczywiście możliwe ogrzewanie dwóch sąsiadujących pomieszczeń przez pętlę składającą się z dwóch części. Pętle muszą być wówczas połączone szeregowo. W takim przypadku jedno z pomieszczeń musi być jednak dominujące, czyli układ regulacji temperatury tego pomieszczenia będzie regulował pracę całej pętli. W praktyce oznacza to, że w pomieszczeniu dominującym znajduje się czujnik temperatury urządzenia regulującego temperaturę powietrza. Temperatura w drugim pomieszczeniu jest wówczas wynikowa, a temperaturę pożądaną uzyskuje się np. z dodatkowego źródła ciepła, sterowanego z dodatkowego układu regulacyjnego. Kolejnym ograniczeniem systemów ogrzewania płaszczyznowego z jedną pętlą jest jej ograniczona długość i związana z tym ograniczona wydajność cieplna. Im większa długość wężownicy, tym większy opór hydrauliczny, co z kolei negatywnie wpływa na jakość regulacji i koszty eksploatacyjne.

! W praktyce spotyka się zalecenie, aby długość pojedynczej pętli ogrzewania podłogowego nie była większa niż 120 m. W dużych pomieszczeniach należy więc stosować dodatkowe urządzenia grzewcze, np. grzejniki konwekcyjne, albo właśnie dodatkowe pętle grzejnika płaszczyznowego.

Układ regulacji dla kilku pętli grzewczych – podstawowa budowa
W przypadku kilku pętli grzewczych w praktyce stosuje się zespolenie układów regulacji temperatury w pomieszczeniach. Wówczas układ taki jest wyposażony w rozdzielacze na gałęzi zasilającej i powrotnej, a każda z nich ma indywidualne elementy bieżącej regulacji mocy grzejnika. Schemat układu regulacji ogrzewania płaszczyznowego z kilkoma pętlami grzewczymi zaprezentowano na rys. 1 i 2. W systemie z wieloma pętlami grzewczymi zasadniczo można wyróżnić:

• układ ochrony grzejników przed przegrzaniem (podobnie jak we wcześniej omówionych układach z jedną pętlą) oraz
• systemy regulacji temperatury powietrza w poszczególnych pomieszczeniach i dla poszczególnych grzejników. 

Jakie funkcje realizują poszczególne elementy takiego układu (przedstawione na rys. 1)? – Elementy (1–4) służą jako ochrona przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury i stanowią moduł napędowy cyrkulacji czynnika. Elementy (7–12) to układy bieżącej regulacji temperatury w poszczególnych pomieszczeniach oraz zabezpieczenie pompy przed tzw. suchobiegiem, w postaci zaworu nadmiarowo-upustowego (8). Zawór ten, nastawiony na określoną wartość różnicy ciśnienia otwarcia, automatycznie się otwiera, gdy nastąpi zamknięcie wszystkich wkładek termostatycznych w belce rozdzielacza (7), powodując zwiększenie różnicy ciśnienia w układzie. Takie działanie ma na celu zapewnienie minimalnego przepływu czynnika przez pompę obiegową (5). To rozwiązanie, od momentu wejścia w życie wymogu stosowania w praktyce pomp obiegowych sterowanych elektronicznie i mających możliwość automatycznego wyłączania się, straciło na popularności, aczkolwiek dalej jest zasadne jego stosowanie jako dodatkowego zabezpieczenia układu.

Temperatura zasilania a opór cieplny grzejników
Układ ochrony przed przegrzaniem projektowany dla wielu grzejników, niestety, ogranicza swobodę przy projektowaniu samych grzejników. Wartość temperatury zasilania zadawana na głowicy termostatycznej z czujnikiem przylgowym (1) musi być dopasowana do grzejnika wykazującego największy opór w przekazywaniu ciepła lub/i grzejnika zabudowanego w pomieszczeniu z największymi stratami jednostkowymi ciepła odniesionymi do powierzchni. W praktyce oznacza to, że grzejniki są zasilane czynnikiem o maksymalnej dopuszczalnej temperaturze.

Wartość temperatury ustawionej na głowicy termostatycznej (1) nie może przekraczać maksymalnej temperatury zasilania któregokolwiek z grzejników. Gdy występuje jeden grzejnik, istnieje możliwość uzyskania wymaganej wydajności przy różnych temperaturach zasilania czynnika grzewczego (szeroki zakres temperatury). Właściwą wydajność uzyskuje się przez odpowiednie dopasowanie rozstawu rury w grzejniku. W przypadku kilku grzejników, temperatura zasilania musi być dopasowana do tego grzejnika, który wymaga maksymalnej temperatury zasilania, a zatem nadwyżkę mocy grzewczej pozostałych grzejników należy skorygować przez zwiększenie rozstawu rur. Najtrudniejsze są przypadki, gdy z jednego układu są zasilane grzejniki o znacznym zróżnicowaniu oporu cieplnego, jak np. grzejniki z wykończeniem ceramicznym i drewnopodobnym. W większości takich sytuacji dobiera się temperaturę czynnika grzewczego dla grzejników z wykończeniem drewnopodobnym, a występującą wówczas nadwyżkę mocy grzejników z wykończeniem ceramicznym kompensuje się zwiększonym rozstawem rur. Grzejniki podłogowe z wykończeniem drewnopodobnym mają wówczas długie pętle o dużym oporze hydraulicznym, natomiast grzejniki z wykończeniem ceramicznym – krótkie pętle o małym oporze hydraulicznym. Taka sytuacja może utrudniać regulację hydrauliczną.

Jeden regulator do kilku siłowników
Gdy w pomieszczeniu ogrzewanym znajduje się więcej niż jeden grzejnik, należy zastosować jeden regulator pomieszczeniowy (12) do kilku siłowników (11). Zastosowanie oddzielnych sterowników mogłoby bowiem powodować ich pracę przeciwsobną. Gdyby tylko jeden z nich mierzył z jakiegoś powodu (np. błędna zabudowa, wpływ urządzeń RTV, stratyfikacja temperaturowa powietrza w dużym pomieszczeniu) temperaturę niższą niż ta ustawiona na nim, to wówczas podawałby sygnał na element sterujący zaworem w celu jego otwarcia, zwiększenia przepływu czynnika przez daną pętlę i tym samym zwiększenia mocy grzejnika oraz podwyższenia temperatury w pomieszczeniu. Jednak czujnik temperatury w drugim sterowniku otrzymałby wtedy informację o temperaturze wyższej niż ustawiona na nim. Do urządzenia napędzającego zawór wysłałby zatem sygnał służący do zamknięcia zaworu, a więc w efekcie obniżenia temperatury w pomieszczeniu, czyli powodowałby działanie przeciwne do działania pierwszego sterownika. 

Wyposażenie belek rozdzielacza
Belki rozdzielacza mogą mieć różnorakie wyposażenie. W przypadku przedstawionym na rys. 1:

• dla górnej/zasilającej belki (7) są to zawory regulacyjne, na których można zabudować np. głowice termostatyczne z wyniesionym czujnikiem (9), głowice z wyniesionym zadajnikiem (10) lub napędy termoelektryczne (11) do sterowników elektrycznych, elektromechanicznych lub elektronicznych (omówione w poprzednich odcinkach cyklu);
• dla dolnej belki rozdzielacza (7’) są to ręczne zawory regulacyjne lub odcinające.

Warto zauważyć, że przedstawiony układ był popularny jeszcze kilka lat temu. Obecnie najczęściej spotyka się rozwiązania, w których na belce zasilającej montowane są rotametry zintegrowane z zaworami regulacyjnymi, pozwalającymi na regulację strumienia i doprowadzenie jego wartości do wymaganej – projektowej, a na belkach powrotnych montowane są zawory regulacyjne pod siłowniki termoelektryczne.

Podobnie, obecnie w praktyce coraz częściej, zamiast układów regulacji z czujnikiem przylgowym, spotyka się układy z termostatycznymi 2-drogowymi zaworami, 3- lub 4-króćcowymi, z wbudowanymi w korpus czujnikami temperatury. Nie trzeba wówczas stosować wyniesionego przylgowego czujnika temperatury. Wymaganą temperaturę po zmieszaniu nastawia się na tym zaworze w sposób płynny.

Ponadto, w przypadku siłowników termoelektrycznych najczęściej stosuje się połączenie pośrednie ze sterownikami – za pomocą dodatkowych listew sterujących, zasilanych z sieci elektrycznej. Sterownik każdego z siłowników umieszczony w pomieszczeniu, w którym znajduje się dany grzejnik, łączy się z listwą kablowo albo w sposób bezprzewodowy, podając do niego sygnały sterujące. Sygnały te są następnie przekazywane do odpowiedniego siłownika. Listwa pełni więc rolę przekaźnika i zasilacza siłowników. Umożliwia to zasilanie sterowników z baterii, bez konieczności zasilania ich z sieci elektrycznej, co jest konieczne, gdy bezpośrednio sterują one siłownikami o relatywnie dużym poborze mocy.

Omawiane rozwiązania prezentuje rys. 2 (dla poprawy czytelności pokazano tylko dodatkowe elementy, bez tych omówionych wcześniej). Pokazano na nim również połączenie listwy sterującej z pompą i kotłem – w praktyce często mają one możliwość komunikacji z tymi urządzeniami, np. mogą wyłączać pompę.

Inne konfiguracje zaworów mieszających i rozdzielających
Oprócz układów wymienionych i opisanych wcześniej istnieją układy z innymi konfiguracjami podłączenia termostatycznych zaworów mieszających i rozdzielających, zarówno 3-, jak i 4-króćowych, z wyniesionym i wbudowanym czujnikiem temperatury. Oferowane są również zawory mieszające/rozdzielające przystosowane do współpracy z siłownikami obrotowymi – te komunikują się z układem sterowania podobnie jak siłowniki zaworów termostatycznych.

Na rys. 3 przedstawiono układ z 3-króćcowym termostatycznym zaworem mieszającym, zilustrowano też zasadę pracy polegającą na mieszaniu się strumieni czynnika zasilającego i powrotnego w zależności od nastawy zaworu i oczekiwanej temperatury czynnika po zmieszaniu. Przy pośrednim stopniu otwarcia zaworu przepuszcza on czynnik zarówno z zasilania instalacji, jak i z powrotu grzejnika i podaje go po zmieszaniu na zasilanie grzejnika. W krańcowych pozycjach otwarcia:

• albo całkowicie odcina dopływ do punktu mieszania czynnika z zasilania instalacji i na zasilanie grzejnika podawany jest tylko czynnik wychłodzony, z powrotu grzejnika,
• albo całkowicie odcina dopływ wychłodzonego czynnika z powrotu grzejnika i na jego zasilanie podawany jest tylko czynnik z zasilania instalacji.

Na zaworze termostatycznym ustawia się oczekiwaną temperaturę po zmieszaniu, a na zainstalowanym za pompą termometrze można skontrolować tę wartość. Układ taki umożliwia regulację polegającą na dążeniu do utrzymywania na wejściu do grzejnika temperatury zadanej na zaworze. Nie ma jednak zabezpieczenia przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury grzejnika.

Zabezpieczenie to można zapewnić wykorzystując jedną z omówionych wcześniej metod (wyłącznik termiczny), podobnie jak regulację mocy cieplnej (zawory z siłownikami zamontowane na rozdzielaczu).
Regulację mocy cieplnej można też zrealizować w bardziej zaawansowany sposób, z użyciem zaworu mieszającego sterowanego siłownikiem obrotowym połączonym z układem sterowania instalacją (w miejsce zaworu termostatycznego). Wówczas zawór działa w oparciu o sygnały z układu sterującego i temperatura po zmieszaniu może być regulowana w oparciu np. o tzw. krzywą grzewczą instalacji, będącą funkcją temperatury zewnętrznej. Na rys. 4 pokazano taki układ i osobno zawór w wersji 3- oraz 4-króćcowej, a także siłownik.

Wykorzystanie ogranicznika temperatury powrotu
Rozbudowane układy regulacji pracy grzejników podłogowych są nieodzowne do utrzymania parametrów komfortu cieplnego, gdy pracują w jednej instalacji z grzejnikami konwekcyjnymi. W stosunku do grzejników konwekcyjnych wymagają one bowiem zarówno innych temperaturowych parametrów pracy – niższych, jak i innych ciśnień czynnika w układzie – wyższych (z uwagi na duże opory hydrauliczne wężownic). Jeśli w instalacji nie ma wysokotemperaturowych grzejników konwekcyjnych, układy takie mogą być znacznie prostsze i scentralizowane.

Należy jednak przeanalizować sytuację, gdy instalacja wykorzystuje głównie grzejniki konwekcyjne i parametry pracy są dobrane do nich, a grzejniki podłogowe są nieliczne i występują jako urządzenia dodatkowe. Wówczas okaże się, że nie jest ekonomicznie uzasadnione implementowanie całego pompowego układu mieszającego/rozdzielającego z urządzeniami regulacji temperatury powierzchni grzejnika zarówno z uwagi na koszty inwestycyjne (zakupu), jak i eksploatacyjne (energia potrzebna do napędu pompy). W takiej sytuacji grzejniki podłogowe są włączane bezpośrednio do instalacji, do której są też przyłączone grzejniki konwekcyjne. Takie przyłączenie wymaga zastosowania układu redukcji temperatury powierzchni grzejnika podłogowego, aby nie były przekroczone jej dopuszczalne wartości. Dokonuje się tego z użyciem tzw. ograniczników temperatury powrotu, nazywanych również RTL (ang. return temperature limiter). Co do zasady działania są to urządzenia podobne do regulacyjnych zaworów grzejnikowych z głowicami termostatycznymi. Zasadniczą różnicą jest to, że czujnik umieszczony w głowicy mierzy nie temperaturę otoczenia, a temperaturę czynnika płynącego przez zawór. Schemat układu z takim elementem zaprezentowano na rys. 5.

Ogranicznik temperatury powrotu, podobnie jak termoregulator grzejnikowy, utrzymuje zadaną wartość temperatury czynnika, w tym przypadku wody przepływającej przez zawór (w wymaganym zakresie proporcjonalności, z uwzględnieniem histerezy). Na głowicy nastawia się maksymalną wartość temperatury czynnika grzewczego, jaką ma utrzymać regulator. Gdy wartość temperatury przepływającego czynnika jest równa wartości zadanej na głowicy, stopień otwarcia sterowanego przez nią zaworu jest równy nominalnemu (projektowemu). Gdy temperatura czynnika wzrasta, rośnie też temperatura czujnika w głowicy, następuje rozszerzenie substancji termorozszerzalnej i przymknięcie zaworu. W wyniku tego zmniejsza się strumień płynącego czynnika. Mniejszy strumień czynnika z kolei skutkuje większym jego wychłodzeniem, a więc niższą jego średnią temperaturą, a co za tym idzie także niższą temperaturą powierzchni grzejnika. W sytuacji spadku temperatury mierzonej przez czujnik sytuacja jest przeciwna.

! Należy pamiętać, aby nastawiona temperatura czynnika grzewczego nie była niższa niż temperatura otoczenia ogranicznika temperatury powrotu, ponieważ wówczas będzie on cały czas zamknięty (należy uwzględnić miejsce zamontowania). Może się to również zdarzyć, gdy ogranicznik temperatury powrotu znajdzie się w sąsiedztwie innego źródła ciepła, np. przy bezpośrednim montażu w zamkniętej skrzynce rozdzielacza ogrzewania podłogowego.

Lokalizacja zaworu RTL – dlaczego nie na zasilaniu?
Z opisu zasady działania może wynikać, że urządzenie takie powinno działać równie dobrze, gdy jest zamontowane na zasilaniu grzejnika. Należałoby wówczas tylko skorygować nastawę maksymalnej temperatury, odpowiednio ją zwiększając. Może się także wydawać, że taka lokalizacja będzie bardziej korzystna, gdyż skoro urządzenie ma ograniczać maksymalną temperaturę powierzchni grzejnika, to do spełnienia tego warunku montaż na jego początku jest bezpieczniejszy. Zawór nie dopuści bowiem wówczas do tego, żeby woda o zbyt wysokiej temperaturze wpłynęła do grzejnika. Tak jednak nie jest. Otóż spadek temperatury czynnika płynącego w rurze wynika z mocy cieplnej, jaką traci on, oddając ją do otoczenia. Strata taka występuje zarówno w samym przewodzie, niezabudowanym w grzejniku, jak i w przewodzie zabudowanym. Przy czym w drugim przypadku jest to zjawisko bardziej intensywne, gdyż umieszczenie rury w płycie grzejnika zwiększa powierzchnię wymiany ciepła z otaczającym powietrzem. Im większą zatem drogę pokonuje czynnik w rurze, tym większy jest spadek jego temperatury. Na początku rury jest on więc mały, nawet przy małym natężeniu przepływu. Dopiero przy całkowitym zatrzymania przepływu czynnik może się wychłodzić do temperatury otoczenia. Nawet jednak w takiej sytuacji w okolicach przyłączenia do układu rozprowadzającego temperatura czynnika jest wyższa niż otoczenia – z uwagi na przewodzenie ciepła od przyłącza w nieruchomej objętości czynnika w rurce, jak i w samej rurce.

! Jeśli zatem umieścilibyśmy urządzenie na początku pętli, przed grzejnikiem, to „widziałoby” ono ciągle temperaturę w przewodzie rozprowadzającym lub jej bliską i dążyłoby do całkowitego odcięcia przepływu, chcąc ją zredukować do wymaganej wartości. Z tego powodu zawory RTL powinno się umieszczać na powrocie.

Temperaturę zamknięcia zaworu należy tak ustawić, aby po uwzględnieniu temperatury zasilania średnia temperatura powierzchni podłogi nie przekraczała wartości dopuszczalnej. Należy mieć na uwadze, że zawór RTL nie ma możliwości bieżącej, automatycznej regulacji temperatury w pomieszczeniu, a umożliwia jedynie wyregulowanie, i to tylko dla warunków statycznych, średniej temperatury powierzchni grzejnika.

Literatura:
[1] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne. Wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019
[2] Witryna internetowa: https://www.ferro.pl/, dostęp 28.01.2020
3] Witryna internetowa: www.muratorplus.pl, dostęp 28.01.2020