Instalacja ogrzewcza, w tym jej elementy i urządzenia, przewidziane są na bezawaryjną pracę przez długi czas, czasem nawet przez kilkadziesiąt lat. Wykonując i odbierając instalację, mało kto myśli o jej zmianie czy modernizacji. Jednak, jak mówi znane przysłowie – życie to jest to, co nam się przytrafia, gdy planujemy coś innego. Podobnie jest z instalacjami i jej urządzeniami. Przyjrzyjmy się zatem, jaki wpływ na grzejniki instalacji ogrzewczej mogą mieć różne zabiegi renowacyjne i modernizacyjne, zarówno te odnoszące się do przegród budynku, jak i do samej instalacji.

Najbardziej oczywistym powodem, dla którego zmieniamy czasem coś w instalacji ogrzewczej lub w ogóle w nią ingerujemy, jest awaria, wadliwe działanie, uszkodzenie itp. Wówczas albo coś naprawiamy, albo właśnie wymieniamy na nowe, lepsze, inne. Zupełnie jak w życiu, chciałoby się (niestety) powiedzieć. Powody zmian w instalacji mogą być również inne i wynikać z renowacji i/lub modernizacji budynku, zwłaszcza gdy chodzi o grzejniki. Poniżej przedstawiam te, z którymi najczęściej mamy do czynienia.

Termomodernizacja budynku i poprawa wskaźników energetycznych
Chodzi oczywiście o zabiegi, które skutkują zmniejszeniem projektowego obciążenia cieplnego i sezonowego zapotrzebowania na energię cieplną poszczególnych pomieszczeń, jak i całego budynku. Należą do nich m.in. takie działania jak:

• docieplanie ścian zewnętrznych, dachów i (czasami) podłóg,
• wymiana okien na takie o większej szczelności i większym oporze cieplnym,
• stosowanie rekuperatorów w instalacji wentylacyjnej itp.

Jak to wpływa na grzejniki? Termomodernizacja budynku zmniejszająca projektowe obciążenie cieplne w naturalny sposób może zmniejszać wymaganą wielkość grzejników. Pojawia się więc pytanie, czy w takim przypadku jesteśmy zmuszeni je wymienić na inne, mniejsze? – Otóż, niekoniecznie. Jeśli nie wymieniamy grzejników, to czy powinniśmy „przykręcić” zawory? – Już bliżej, ale też niekoniecznie, co poniżej spróbuję wyjaśnić.

Zmniejszenie strumienia czynnika płynącego przez grzejnik da oczywiście pożądany skutek – moc cieplna spadnie. Problem w tym, że spadek ten jest uzyskany przez większe wychłodzenie czynnika w grzejniku, wynikające z dodatkowej redukcji jego przepływu – wychłodzenie jest większe niż wartość projektowa oryginalnie założona do obliczeń i tym większe, im większa jest redukcja wymaganej mocy cieplnej. Temperatura powrotu do źródła ciepła będzie wówczas niższa niż pierwotnie założona do jego doboru i istnieje ryzyko, że może być za niska, negatywnie wpływając na pracę źródła ciepła. Zauważmy, że np. kotły na paliwa stałe nie mogą pracować na zbyt niskich temperatunię wymiany ciepła. Ponadto ucierpieć może sprawność – kotły pracują z maksymalną sprawnością w ograniczonym zakresie swojej mocy i korzystne jest, aby pracowały w sposób ciągły, a nie "taktowały", włączając się i wyłączając co chwilę, gdy wymagana moc cieplna jest mniejsza niż wartość, dla której mogą pracować w sposób ciągły.

Znacząca redukcja strumienia czynnika może również mieć negatywny wpływ na równowagę hydrauliczną w całej instalacji, gdyż wszystkie jej elementy, w tym sieć przewonych warunków temperaturowych pracy.

! Wbrew pozorom zatem w tym przypadku korzystszych temperaturach czynnika (i zasilania i powrotu) oraz zapewnia „z automatu” mniejszą moc cieplną grzejników, niż wymiana grzejników czy też znaczna redukcja strumienia płynącego czynnika.

Modernizacja zwiększająca zapotrzebowanie na ciepło
Możemy się również spotkać z modernizacją budynku powodującą pogorszenie wskaźników energetycznych. Takie działanie jest bardzo rzadkie i dotyczy tylko specyficznych sytuacji, ale warto i ten wariant przeanalizować z punktu widzenia wpływu na grzejniki.

Jak to wpływa na grzejniki? W przypadku wymaganej mocy cieplnej sprwa wydaje się z pozoru prosta. Nie chcemy ingerować w nastwieniu zaworów regulacyjnych (jak przy zmniejszeniu obciążenia cieplnego). Ponadto ingerencja taka – nawet, jeśli zgodzimy się na rozregulowanie hydrauliczne instalacji – może nie przynieść zamierzonego efektu, czyli wystarczającestaje więc ingerencja w wielkość grzejnika. A zatem, jeśli np. nastąpił dwukrotny wzrost wymaganej mocy, to czy należy dwukrotnie zwiększyć długość grzejnika? – Otóż nie, nie jest to takie proste. Prawdą jest natomiast, że można dać dwa takie same grzejniki i zapewni to (potencjalnie) dwukrotnie większą moc cieplną.

Dlaczego więc proste zwiększanie pojedynczego grzejnika nie skutkuje tym samym? – Aby szczegółowo odpowiedzieć na to pytanie, należałoby przeprowadzić analizę procesu wymiany ciepła pomiędzy medium grzewczym w grzejniku a powietrzem (generalnie – środowiskiem, które jest ogrzewane). Jest to analiza matematyczna wykraczająca znacząco poza zakres tego artykułu i znaleźć ją można w pracy [5]. Tutaj wystarczy przytoczyć fakt, iż moc cieplna nie jest liniowo zależna od wielkości grzejnika: ani od jego długości, ani wysokości oraz generalnie – od jego powierzchni wymiany ciepła. Dwukrotny wzrost długości grzejnika da mniejszy niż dwukrotny wzrost jego mocy cieplnej.

! Opisany błąd doboru wielkości grzejnika jest niemal regułą i niestety jest on utrwalany przez niemal wszystkich producentów grzejników, aczkolwiek nie w sposób zamierzony.

Producenci zwykle udostępniają tabelaryczne dane dotyczące mocy grzejników – np. w funkcji ich długości i wysokości oraz dla kompletu parametrów temperaturowych pracy: temperatury zasilania t_z , temperatury powrotu t_p i temperatury otoczenia t_i . Przykładowe zestawienie ilustruje tabela 1. Jak widać, grzejnik o wysokości 300 mm i długości 800 mm ma moc 437 W, czyli dwa razy więcej niż grzejnik dwa razy krótszy, o wymiarach 300 x 400 mm, którego moc to 218 W. Z kolei grzejnik o wymiarach 300 x 1600 mm ma moc 874 W, czyli znowu dwa razy większą niż grzejnik o wymiarach 300 x 800 mm itd. 

Dane zawarte w tabeli są prawdziwe. Kwestia tego, że są one prawdziwe dla zadanych tam, narzuconych każdorazowo na tym samym poziomie, wartości parametrów temperaturowych pracy, czyli temperatury zasilania tz , powrotu tp i otoczenia ti . Takie ujęcie jest uzasadnione, bo wszak chcemy mieć możliwość porównania mocy grzejników dla tych samych warunków pracy. Ale, czy tak jest w rzeczywistości? – Nie. Parametrami temperaturowymi, które faktycznie w założeniu (i w uproszczeniu) nie ulegają zmianie przy zmianie grzejnika, jest temperatura zasilania tz i temperatura otoczenia ti . Niezmienna jest również wartość strumienia czynnika. Temperatura powrotu tz jest natomiast wartością wynikową i nie znamy jej, dopóki nie wykonamy stosownych obliczeń (albo dopóki jej po prostu nie zmierzymy). Jeśli zainstalujemy grzejnik dwa razy większy od wcześniejszego, to – co oczywiste – temperatura powrotu ulegnie zmianie i będzie niższa niż dla wcześniejszego grzejnika, a tym samym moc grzejnika nie będzie dwa razy wyższa niż grzejnika wcześniejszego. To, o ile faktycznie wzrośnie moc zależy od parametrów charakterystyki cieplnej grzejników.

Producenci dostarczają te dodatkowe dane, wymagane do takich obliczeń, w tzw. deklaracjach właściwości użytkowych, ale i tak należy dokonać dodatkowych obliczeń – ich przykłady można znaleźć w pracy [5]. Ponadto obliczenia można wykonać w dedykowanych programach komputerowych dla projektantów instalacji HVAC.

Na rys. 1 pokazano, w jaki sposób zmienia się moc cieplna typowego grzejnika płytowego przy zmianie jego długości. Pamiętać należy, że analogiczna reguła obowiązuje w przypadku zmniejszania długości grzejnika – także nie ma tutaj proporcjonalnej zależności z mocą cieplną.

Wymiana źródła ciepła
Dotychczasowe źródło ciepła jest wymieniane na takie, które charakteryzuje się większą sprawnością energetyczną i/lub egzergetyczną albo na takie, które spełnia nowe wymagania prawne, np. w zakresie emisji substancji szkodliwych. Bardzo popularna w ostatnich latach jest np. wymiana kotłów na paliwa stałe na kotły gazowe kondensacyjne, pompy ciepła, kolektory słoneczne itp., czyli generalnie na źródła niskotemperaturowe.

Jak to wpływa na grzejniki? Jednym z efektów wymiany źródła ciepła, niezależnie od powodów tego działania, najczęściej jest obniżenie parametrów pracy instalacji, w tym temperatury zasilania. Możemy mieć tutaj kilka wynikowych scenariuszy dla grzejników, z czego dwa najczęściej występujące to:

• grzejniki pozostają bez zmian (jak opisano w przypadku zmniejszenia projektowego obciążenia cieplnego); spadek temperatury zasilania wyrównywany jest spadkiem wymaganej mocy cieplnej wynikającym z termomodernizacji budynku;
• grzejniki powinny być zwiększone; spadek temperatury zasilania ma miejsce przy niezmienionych wartościach wymaganej mocy cieplnej – charakterystyka cieplna budynku się nie zmieniła, a zmianie uległo tylko źródło ciepła.

W przypadku wymiany źródła ciepła można zadać pytanie podobne jak przy zabiegach termomodernizacyjnych – skoro w efekcie obniża się temperatura zasilania grzejnika i jego moc, to czy nie wystarczy dokonać zmian nastawień zaworów regulacyjnych, zwiększyć przepływ czynnika i w ten sposób przywrócić początkową wartość mocy grzejnika? Odpowiedź będzie podobna jak poprzednio – tak, ale niekoniecznie. Problemem jest tutaj, tak jak wcześniej, ryzyko rozregulowania hydraulicznego instalacji. Jednak jeszcze ważniejsza kwestia to zależność mocy cieplnej grzejnika od strumienia płynącego przezeń czynnika. Zależność ta, podobnie jak w przypadku zmiany długości/wielkości grzejnika, jest nieliniowa. Zwiększanie strumienia czynnika nie daje proporcjonalnych wzrostów mocy cieplnej, ale wzrosty mniejsze. Zobrazowano to na rys. 2. Widać, że wyraźne przyrosty mocy cieplnej występują tylko w początkowym zakresie charakterystyki cieplnej grzejnika. Przy większych strumieniach zmiany te są małe, aż w końcu praktycznie przestają mieć znaczenie – nie ważne, jak bardzo zwiększy się strumień czynnika, moc cieplna wzrośnie niezauważalnie.

Częściowa wymiana instalacji
Polega to na wymianie grzejników oraz źródła ciepła i urządzeń regulacyjno-zabezpieczających, przy niezmienionej sieci przewodów rozprowadzających czynnik. Taka sytuacja występuje często, gdy modernizujemy starą instalację typu grawitacyjnego, wyposażoną w niskoefektywne i wymagające częstej obsługi (zasyp paliwa) kotły na paliwa stałe, dodatkowo o kiepskich właściwościach regulacyjnych i bez elektronicznej automatyki sterującej. Wymiana źródła ciepła dyktowana jest więc chęcią poprawy wskaźników energetycznych, obniżenia kosztów eksploatacyjnych, zapewnienia komfortu użytkowego (nowe kotły, nawet stałopalne, działają w zasadzie w pełni automatycznie) i umożliwienia współpracy z układami automatycznej regulacji temperatury, np. z regulacją pogodową, globalną i lokalną, pomieszczeniową.

Jak to wpływa na grzejniki? Żeliwne grzejniki członowe, stosowane zwykle w starych instalacjach grawitacyjnych, również nie spełniają aktualnych oczekiwań w zakresie parametrów komfortu cieplnego (możliwość szybkiej zmiany oddawanej mocy cieplnej, współpraca z termoregulatorami grzejnikowymi). Ich wymiana wynika więc z chęci poprawy tych wskaźników i dopasowania grzejników do nowego źródła ciepła, które jest w stanie szybko reagować na zmiany w zapotrzebowaniu na chwilową moc cieplną. Można więc powiedzieć, że w tym przypadku wymiana źródła ciepła pociąga za sobą potrzebę wymiany odbiorników ciepła i vice versa.

Żeliwne grzejniki członowe najczęściej zastępuje się stalowymi grzejnikami płytowymi. Zamiast nich montuje się także aluminiowe grzejniki członowe, grzejniki łazienkowe lub grzejniki ozdobne, czasem także członowe, ale stalowe, a nie żeliwne.

Parametry istotne przy wymianie grzejników. Typów starych grzejników żeliwnych stosowanych w Polsce nie było bardzo wiele, a najpopularniejsze były trzy, o symbolach T-1 (rys. 3a), TA-1 i S-130. Grzejniki typu T-1 i TA-1 są ciągle produkowane, aczkolwiek w nieco zmodyfikowanej wersji. W każdym razie przy wymianie starych grzejników, zasadniczymi parametrami, na które należy zwrócić uwagę, są:

• moc cieplna – nowy grzejnik powinien zapewniać moc nie mniejszą niż stary grzejnik; pamiętajmy przy tym, że dane dotyczące charakterystyki cieplnej i mocy cieplnej starych grzejników definiowane były w nieco inny sposób niż robi się to obecnie (inne współczynniki, inne parametry temperaturowe pracy), ale stosownych przeliczeń dokonać można z użyciem formuł zawartych w pracy [5], korzystając z kalkulatorów internetowych firm produkujących grzejniki albo dedykowanych programów komputerowych dla projektantów instalacji HVAC;
• rozstaw przyłączy – nowy grzejnik powinien mieć rozstaw przyłączy możliwie bliski temu, jaki miał stary grzejnik, dzięki czemu jego podłączenie nie będzie wymagać dodatkowych prac w zakresie nadmiernego przezbrajania rozstawu/gięcia rur; pamiętajmy też, że stare grzejniki członowe miały możliwość bezpośredniego podłączenia tylko z boku, nie od dołu;
• średnica przyłączy – stare grzejniki miały przyłącza o większej średnicy niż grzejniki obecnie sprzedawane, dlatego gdy nowy grzejnik podłączamy do istniejących (starych) rur, trzeba zastosować odpowiedni element redukcyjny (np. korek redukcyjny, jeśli nie jest na wyposażeniu grzejnika) i/lub zawór o odpowiedniej średnicy;
• wymiary montażowe, czyli głębokość i wysokość – tutaj, podobnie jak w przypadku rozstawu przyłączy, dobrze jest wybrać model o możliwie zbliżonych rozmiarach, a przynajmniej nie znacząco większych niż starego grzejnika; dane te, dla wymienionych wcześniej grzejników członowych, prezentuje rys. 3b-3d.

Podwyższenie standardu wizualnego pomieszczeń
W tym celu często wymienia się klasyczne grzejniki na dekoracyjne lub dopasowuje nowe grzejniki do designu wyremontowanych pomieszczeń. Użytkownicy pozbywają się wówczas nie tylko starych, żeliwnych grzejników członowych, ale także typowych grzejników stalowych płytowych czy aluminiowych. Modernizacja polega bowiem na zastosowaniu grzejników o pożądanych kolorach i kształcie.

Jak to wpływa na grzejniki? Wybór modeli grzejników na rynku jest ogromny i dopasowany do różnych trendów aranżacji wnętrz, zaspokaja więc większość estetycznych wymagań klientów. Oczywiście, przy wyborze należy pamiętać o wszystkich omówionych wcześniej aspektach oraz o jednym, dodatkowym – kolor wykończenia powierzchni grzejnika ma wpływ na jego moc cieplną. Przykładowo: grzejnik wykończony na biało, w połysku, lub w chromie będzie miał moc mniejszą niż np. grzejnik wykończony antracytowym lakierem strukturalnym. Różnica ta będzie zauważalna zwłaszcza wtedy, gdy grzejnik nie jest zasłonięty firanką, zasłoną itp. Warto o tym pamiętać, ponieważ klienci często wybierają grzejniki dekoracyjne w różnych kolorach, a producenci zwykle dostarczają dane dotyczące mocy i parametrów charakterystyki cieplnej tylko dla wariantów podstawowych, np. w kolorze białym. W takim przypadku należy dopytać producenta o faktyczne dane, odpowiadające wykończeniu wskazanego przez klienta grzejnika.

Materiały źródłowe:
[1] https://instalreporter.pl/ogolna/grzejniki-modernizacyjne-czyli-jakiezamiast-starych-zeliwnych/
[2] https://kfa.pl/
[3] https://www.radeco.com.pl
[4] https://www.zeliwne.com/oferta/grzejniki_zeliwne/t1_kaloryfer_zeliwny_retro/t1_kaloryfer_zeliwny_retro.php 
[5] Muniak D.: „Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne”, wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019