Ciekłe czynniki cieplne - czyli woda czy glikol? A może jeszcze coś innego? Czym zalać instalację? Podstawowe informacje i porównanie.

Nowa instalacja, po co ten glikol, gdy mamy wodę? A może są jeszcze inne alternatywy dla wody i glikolu? 

Czynnik grzewczy, czy inaczej nośnik ciepła - ważny termin - jest to substancja, która może transportować ciepło ze źródła ciepła (czyli prościej kotła, kominka, zasobnika ciepła, pompy ciepła, paneli solarnych itd) do odbiornika ciepła, czyli grzejnika lub pętli instalacji podłogowej. Aby instalacja centralnego ogrzewania pracowała - za pośrednictwem rur, pętli i innego rodzaju kanałów ciepło jest transportowane właśnie przez nośnik ciepła. Jest on niezbędny i tu nie ma dyskusji. Najczęstszym jest oczywiście woda, ma mnóstwo zalet, ale posiada i wady.Do głównych wymagań jakie stawiamy czynnikom grzewczym należą w praktycznym zastosowaniu w CO - lub CWU - należą: dostępność (łatwość kupienia), cena, ewentualnie w bardziej specjalistycznych instalacjach projektanci biorą pod uwagę bardziej wyśrubowane - takie jak: wpływ na parametry klimatu wewnętrznego instalacji, możliwie największą pojemność cieplną przy wytwarzaniu go w źródle (tzw. zdolność akumulacji ciepła), oraz małe opory na przepływach w instalacji. Dobrze na tle tych parametrów wypada właśnie woda, jednak niekiedy dodaje się do niej różne substancje celem poprawy pewnych parametrów - np. miesza się wodę z glikolem i to w różnych stężeniach, celem osiągnięcia konkretnych parametrów tej mieszaniny.W tym artykule omówimy jedynie ciekłe czynniki grzewcze, na bok odkładając gazowe typu powietrze czy para wodna, które w zasadzie nie występują w instalacjach domowych w Polsce. Poruszymy kwestię ich wpływu na żywotność urządzeń hydraulicznych, np. zasobników, wymienników ciepła, pomp, sterylizatorów do wody itp.

Woda i jej właściwości w instalacji CO

Jest najbardziej oczywistym rozwiązaniem, bo najszybciej i najłatwiej dostępnym. Zdecydowanie także jednym z najtańszych. Posiada jednak spore zanieczyszczenia w postaci zawiesin organicznych i nieorganicznych, których nie widać gołym okiem - ale przede wszystkim rozpuszczonych w niej woli i gazów, koloidów (w postaci krzemionki i różnych innych związków). Mają one jednak niekorzystny wpływ na działanie urządzeń grzewczych. W związku z tym niekiedy wymaga wręcz uzdatniania by mogła być bezpieczna dla naszego układu grzewczego i wydajna w ogrzewaniu. Woda ma jednak także inne właściwości, o których zapominamy - także projektując instalację - takie jak: sucha pozostałość, utlenialność oraz odczyn. Dla ciekawskich interesujący wydaje się fakt, że woda w zależności od temperatury jaką osiąga zmienia swoje ciepło właściwe. Waha się ono w granicach 4,226 kJ/kgK (dla wody o temperaturze stopni Celsjusza), do 4,194 kJ/kgK dla wody w temperaturze 80 stopni Celsjusza. Podobnie ma się sprawa ze współczynnikiem przewodnictwa cieplnego, który wynosi w zależności od temperatury od 0,558 W/mK do 0,681 W/mK (dla temperatur jakie mogą występować w typowej instalacji domowej tj. od niewielkich temperatur na plusie po +80oC). Powiedzmy jednak szczerze - który hydraulik (o ile nie jest inżynierem projektantem po Politechnice) ma o tym pojęcie i używa tych danych jako wiedzy praktycznej, potrzebnej do projektowania instalacji? Żaden, gdyż w praktyce znajomość podstawowych zasad w jakich instalacjach robić wyjątki od stosowania wody - wystarcza do zaprojektowania sprawnego i wydajnego ogrzewania. Jest to nasza ocena własna.

Niedogodności stosowania wody w niektórych instalacjach, częściej przemysłowych niż domowych, biorą się także stąd, że zmienia ona stan skupienia w okolicach 0 stopni i w okolicach 90-100 stopni zaczyna się gotować i intensywnie parować podnosząc znacznie ciśnienie w instalacji. Z związku z tym - z całą pewnością instalacje należy chronić przed wyraźnym wychłodzeniem (jednak w praktyce aby woda w ogrzewaniu zamarzła należałoby pozostawić dom na wiele dni bez jego włączania) jak i przed wysokim ciśnieniem w przypadku odparowywania wody.

Do właściwości wody, które mają wpływ na urządzenia hydrauliczne należy także zawartość rozpuszczonych w niej soli (prowokujących możliwość tworzenia się kamienia kotłowego) oraz odczyn, wyrażony za pomocą wykładnika wodorowego - czyli tzw. pH (mającego związek z potencjalnym pojawieniem się korozji na urządzeniach stalowych, np. zasobnikach, rozdzielaczach lub wymiennikach płytowych).
Z uwagi na szkodliwy wpływ przyspieszający korozję urządzeń - chemika, ale również użytkownika powinna zainteresować zawartość tlenu i dwutlenku węgla w wodzie. Zawartość tych gazów - zmienia się wraz ze zmianami temperatury wody, co jest akurat zjawiskiem oczywistym w każdej instalacji. To z kolei powoduje zmianę ciśnienia w instalacjach wytrącanie się się powyższych gazów, co objawia się jako pęcherzyki powietrzna w instalacji. Zawsze będą się one w niej zbierać, gdy używamy wody - i one muszą być z instalacji usunięte, co determinuje jak mamy projektować instalację wodną i jak mamy przewidzieć możliwość ich usuwania. 

Najgorsze przed nami - twarda woda w instalacji grzewczej

W wodzie rozpuszczone są sole, przy czym ich stężenie zależne jes od tego skąd pochodzi woda. Za najgorsze uznaje się pierwiastki magnezu i wapnia. Mają one raczej słabą rozpuszczalność, ale posiadają zdolność rozkładu (niebezpiecznego dla naszej instalacji). Rozkład ich przybiera na sile w wysokiej temperaturze, rozpoczyna się w słabszym nasileniu już przy 30-40 stopniach Celsjusza, a więc w każdej praktycznie instalacji zaistnieją warunki do rozkładu magnezu i wapnia. W instalacjach grzewczych w wyniku wzrostu temperatury nasila się odparowanie wody w kotłach - natomiast w wyniku rozkładu soli wytrąca się osad, który osiada na powierzchniach wymiany ciepła (tj na ściankach kotłów, rurach, pętlach podłogówki, urządzeniach hydraulicznych itp). Osad ten to znany wszystkim antybohater instalacji wodnych czyli kamień kotłowy. 

Zawartość soli w wodzie określa się jako twardość wody. Może mieć ona różny stopień. Rozróżnia się twardość przemijającą (węglanową) oraz nieprzemijającą, stałą (niewęglanową). Twardość przemijająca występuje w wodzie, gdy mamy do czynienia z kwaśnymi węglanami wapnia i magnezu, które w temperaturze rozpadają się na sole rozpuszczalne. Dlatego nie mają charakteru trwałego. Jeśli zaś przyczyną twardości sa obojętne sole wapnia i magnezu, wtedy nie dojdzie do ich rozpadu w miarę zwiększania się temperatury czynnika - i mamy do czynienia z twardością stałą, nieprzemijającą. 

Z tego powodu, że używamy wody - instalacje z czasem się zakamieniają, ponieważ na przytłaczającej większości terenów w Polsce występuje woda twarda lub bardzo twarda. Jest to niewidzialny przeciwnik, gdyż woda twarda nie będzie przez nas rozpoznana bez badań, tj. analizy fizykochemicznej. Możemy jednak wiedzieć, że z czasem obecność wody (bo twarda będzie ona raczej tak czy owak, jeśli jej nie uzdatnimy w odpowiedni sposób) zdecydowanie skróci żywność urządzeń takich jak kocioł grzewczy, pompa ciepła, sterylizator wody UV, wymiennik ciepła płytowy, zasobnik, rozdzielacz ogrzewania podłogowego, a nawet grzejnik. Z czasem rurki i kanały naszej instalacji zarośnięte kamieniem powodują, że nasze CO ma na tyle słabą przewodność cieplną, że nasze rachunki za ogrzewanie lub konsumpcja paliwa wzrasta o nawet 30-40%. Na szczęście są metody neutralizowania twardej wody a także urządzenia typu zmiękczacze wody.

Inne czynniki grzewcze - co jest alternatywą dla użycia wody w CO? Czy jest lepsza opcja? Dowtherm, glikol, olej mineralny? Czy są lepszym rozwiązaniem?

Przede wszystkim przy ich stosowaniu nie zachodzi potrzeba uzdatniania wody do instalacji, ani ryzyko powstawania kamienia w rurach grzewczych, zakamieniania urządzeń, co prowadzi do konieczności częstszej ich wymiany oraz do spadku efektywności ogrzewania. Ale mają niestety również szereg wad.

W praktyce bilans plusów i minusów tych cieczy sprowadzi nas do wniosku, że są to bardziej wyspecjalizowane nośniki grzewcze, które są predystynowane ze względu na właściwości do pomieszczeń o konkretnych zastosowaniach, np. przemysłowych.

Eter difenylowy

Egzotycznie brzmiącym, ale i mało praktycznym w domowych instalacjach medium grzewczym jest dowtherm lub eter difenylowy. Stosowany jako przekaźnik ciepła praktycznie tylko w wysoko wyspecjalizowanych instalacjach przemysłowych, a szkoda, bo jego ciepło właściwe wahające się pomiędzy 1,55 kJ/kgK, a 2,76 kJ/kgK byłoby bardzo interesującym parametrem. Podobnie jak punkt krzepnięcia na poziomie nawet -55 stopni Celsjusza, co pozwalałoby na stosowanie go także w pomieszczeniach ogrzewanych jedynie okresowo. Niestety jest substancją niebezpieczną dla zdrowia ludzi oraz łatwopalną. Wyłącza go to ze stosowania w instalacjach domowych, ale nawet w budynkach przemysłowych, gdzie stosowane są prace generujące iskry, typu spawalnicze. Informacje na jego temat podajemy raczej w charakterze ciekawostki. Mimo, że został wynaleziony na początku XX wieku - nadal jest stosowany.

Olej mineralny

Główną jego zaletą jest to, że on w naszym klimacie nie zamarznie. Z punktem krzepnięcia nawet do -50 stopni Celsjusza może być stosowany nawet w Skandynawii czy północnych rejonach Rosji. Zachowuje stan ciekły w bardzo dużym zakresie temperatur, gdyż z kolei temperatura wrzenia wynosi pomiędzy 280 a 350 stopni Celsjusza, a temperatura zapłonu jest w zasadzie nie osiągalna w zastosowaniu o którym mowa. Naturalnie tak jak innne oleje - nie powoduje kamienia oraz korozji. Ale ma jednak swoje wady, jest zdecydowanie droższy niż woda, zwłaszcza gdy mamy rozległą instalację - a poza tym z czasem obserwuje się odkładanie żywic olejowych na powierzchniach urządzeń wymiany ciepła (grzejniki, wężownice, wymienniki płytowe). Stosunkowo łatwo się utlenia - co oznacza, że instalacja taka musi być częściej odpowietrzana. Masowo stosowany - jak wiadomo - również w chłodnictwie.

Glikol etylenowy w instalacji ogrzewania

To jest ewentualna realna alternatywa dla wody w instalacji (lub raczej w jej części - tej, która narażona jest na zamarzanie - typu dodatkowy budynek gospodarczy podpięty pod układ dodatkowo, nie ogrzewany na stałe). Naturalnie, podobnie jak olej mineralny - nie tworzy kamienia kotłowego. Temperatura zamarzania to od około -17 stopni do nawet -49 stopni Celsjusza, co w naszym klimacie wystarczy by instalację zabezpieczyć w zupełności. Temperatura zamarzania zależy oczywiście od tego jak bardzo jest rozcieńczony, gdyż...

Rzadko stosuje się go w formie nierozcieńczonej. Najczęściej rozrabia się g z wodą, w stężeniu w zależności od potrzeby - 30% glikolu i reszta wody, 35% glikolu i reszta wody lub gdy sytuacja tego wymaga 50/50% z wodą. 

Glikol etylenowy w instalacji ma jednak swoje wady. Przede wszystkim jest to opcja zdecydowanie droższa od wody, to naturalne. Zanim zdecydujemy się na jego użycie - musimy wiedzieć, że ogranicza przekaz cieplny. Nie zamarza, co oznacza, że również nie oddaje energii cieplnej tak łatwo jak woda. Szacuje się, że przekaz ciepła jest o 8% mniejszy jeśli mowa o roztworze 30% gliklu do nawet 15% przy roztworze 50% glikolu. Oznacza to większą bezwładność instalacji i dłuższy czas czekania zanim ona się nagrzeje, a także nieco większą konsumpcję paliwa (czyli droższe koszta eksploatacji ogrzewania). To nam wyjaśnia dlaczego się go rozcieńcza - rozcieńczony osiąga parametry niezamarzania, które są nam potrzebne, a zmniejsza się jego wadliwe cechy. Dodatkowo ową stratę na przekazie cieplnym, te wspomniane 8-15%, można oczywiście w dużym stopniu zneutralizować, ale powiększając urządzenia przekazu cieplnego - jak powierzchnię grzejników oraz wymienników ciepła, co oznacza realne większe koszty inwestycji. Z powodów opisanych wyżej możemy mniemać, że z pewnością nie jest dobrym rozwiązaniem dla podłogówki, a raczej ewentualnie dla standardowych układów ogrzewania grzejnikowego.

Z opisanych powyżej przyczyn - jeśli planujemy podłączenie jakiegoś dodatkowego obiektu do instalacji, w którym ze względu na ryzyko zamarzania instalacji decydujemy się na glikol - nie zalecamy decyzji o stosowaniu glikolu w całym układzie. W praktyce należy oddzielić układ owego pomieszczania narażonego na zamarzanie (zapewne garażu, warsztatu, hali magazynowej) od podstawowego obiegu kotła za pomocą płytowego wymiennika ciepła. Należy go dobrać tak aby na każde 100 metrów takiego pomieszczenia przypadało mniej więcej 0,35m2 powierzchni wymiany grzewczej wymiennika płytowego. Taki współczynnik pozwala na ogrzewanie tradycyjnej instalacji także glikolem, ale jeśli jest to budynek gospodarczy, w którym nie potrzebujemy temperatury takiej jak w pomieszczeniach mieszkalnych - może być to również mniejszy wymiennik. Koszt samego wymiennika ciepła do odzielenia obiegów glikolu to około 200-300zł na 100m2 pomieszczenia, bazując na cenach producenta wymienników Nordic Tec.

Niestety jest jeszcze jeden minus - zapewne oczekiwaliśmy, że nie podobnie jak olej mineralny - glikol nie będzie przyczyniał się do korozji urządzeń. Niestety chociaż roztwory glikolu nie są elektrolitami to jednak rozkładają się w czasie ekploatacji instalacji, co powoduje pewne właściwości korozyjne, nie należy jednak przeceniać ich siły.

W przypadku decydowania się na glikol - warto też zwrócić uwagę, czy producent pompy obiegowej zaleca by pracowała z glikolem. Niektórzy producenci zaznaczają, że pompa nie jest przeznaczona do glikolu, co może warto uwzględnić. Większość pomp poradzi sobie ze słabo stężonym glikolem, pozostaje jednak kwestia gwarancyjna. Na rynku są także dostępne specjalne pompy deklarowane jako przeznaczone do glikolu - nie różnią się jednak zbytnio w swojej konstrukcji.

Wniosek - jakie medium grzewcze jest najlepszym rozwiązaniem dla instalacji CO w domku jednorodzinnym?

Musimy stwierdzić wobec powyższego, że fakt, że w 99% domostw używa się jako czynnika grzewczego wody - ma swoje zdecydowane uzasadnienie w zaletach wody. Glikol jest zbyt bezwładny by używać go w całej instalacji, zagrzanie domu trwałoby długo, a próba zneutralizowania osłabienia przekazu cieplnego wymagałoby od nas większej inwestycji. W szczególności przy modnej dziś podłogówce, która i tak charakteryzuje się większą bezwładnością glikol odpada. Olej mineralny jest za drogi i za mało funkcjonalny.

Woda zaś - mimo wielu wad - jest tania i łatwo dostępna. Oddaje swe ciepło łatwo czy to na grzejnikach czy na podłogówce. Jej podstawową wadę - czyli wysoki poziom twardości - da się (nie bez kosztów co prawda) neutralizować. Koszt inwestycji w zmiękczacz wody to około 2500-4000zł (dla domku jednorodzinnego), można też uzdatniać wodę wiązką elektryczną. I to jest najlepsze rozwiązanie aby chronić nasze kotły grzewcze, pompy ciepła, zasobniki, rozdzielacze ogrzewania, wymienniki ciepła, pompy obiegowe przez zabójczym kamieniem - oraz mieć efektywne ogrzewania, które zużywa minimum paliwa grzewczego lub generuje minimalne potrzebne opłaty za ogrzewanie. Na glikol decydujmy się tylko, gdy istnieje ryzyko zamarznięcia instalacji, tj. w domach stojących pusto, np. w altankach działkowych - lub przy podłączaniu dodatkowych pomieszczeń, które nie są eksploatowane na stałe.