Теплоносії — вода, гліколь та таблиці розведення для опалювальних систем

---

Що тече в наших трубах, радіаторах — загалом в опалювальних системах? Найчастіше це, звичайно, звичайна вода. Однак є й інші рідини, які використовуються в системах опалення. Це передусім гліколі, а раніше — розсоли. Вибір відповідного теплоносія має безпосередній вплив на ефективність системи, підбір насосів, розмірування труб та довговічність усієї системи.

Якщо ви проєктуєте опалювальну систему і хочете перевірити, як тип теплоносія впливає на підбір діаметрів труб, скористайтеся нашим калькулятором підбору діаметрів опалення.

Вода

Найпоширеніша рідина в установках. Це пов'язано з тим, що це найдешевша та найдоступніша рідина. Крім того, вода має високу питому теплоємність на рівні 4,2 кДж/(кг·К) — це значення вище, ніж у гліколів. Ця фізична властивість означає, що для транспортування певної теплової потужності потрібна менша витрата води, ніж гліколю. Додатково вода має меншу в'язкість, ніж гліколі, що безпосередньо впливає на величину лінійних та місцевих опорів у трубопроводах та арматурі. Обидві ці властивості впливають на витрати на роботу циркуляційних насосів.

Крім того, вода є нейтральною для навколишнього середовища та здоров'я людини. Будь-які витоки не становлять у цьому відношенні проблеми. Щодо самих трубопроводів та арматури, то у випадку жорсткої води з часом можуть виникнути проблеми. На щастя, поширені пом'якшувачі котлової води та добавки у вигляді інгібіторів корозії для захисту опалювальних установок та обладнання.

Єдиний мінус при використанні води як теплоносія виникає у випадку установок, розташованих зовні будівель або в неопалюваних приміщеннях, де температура може опуститися нижче нуля градусів Цельсія і додатково виникають простої в роботі системи. Вода тоді в трубах просто замерзне. Це руйнівно впливає на арматуру та трубопроводи.

Щоб цьому запобігти, є два рішення. Застосувати незамерзаючу рідину до необхідної від'ємної температури, наприклад, до -25°C, або обгорнути труби електричними нагрівальними кабелями та заізолювати. Застосування другого способу, на жаль, не є 100% надійним — можуть виникнути перебої в електропостачанні або аварії.

Пропіленгліколь

Органічна хімічна сполука з групи двоатомних спиртів, тобто діолів. При кімнатній температурі є безбарвною, без запаху, маслянистою рідиною зі солодкуватим смаком та високою в'язкістю. Вважається нешкідливою для здоров'я сполукою або такою, що має дуже низьку токсичність. Не виявлено, що він викликає алергію, не проявляє канцерогенності та не є мутагенним. Контакт з нерозбавленим пропіленгліколем може викликати подразнення очей та шкіри, однак нешкідливе та таке, що легко минає, зазвичай після припинення контакту. В організмі він швидко перетворюється на молочну кислоту (подібно до того, як м'язи перетворюють цукор на енергію). У навколишньому середовищі легко піддається біодеградації. Є безпечною речовиною навіть при концентрації 50% у готовому препараті. В установках використовуються розчини гліколю відповідної концентрації, залежно від того, до якої температури нам потрібно, щоб наш розчин не замерзав.

Таблиця 1. Властивості пропіленгліколю залежно від концентрації

Етиленгліколь

Органічна хімічна сполука, що є найпростішим полігідроксильним спиртом (діол), а також найпростішим цукровим спиртом. Широко використовується як компонент автомобільних охолоджуючих рідин, а також як прекурсор полімерів. У чистому вигляді є безбарвною, без запаху, сиропоподібною рідиною зі солодкуватим присмаком. Етиленгліколь є токсичним, і його ковтання може призвести до смерті. Це шкідлива речовина, що пригнічує центральну нервову систему. Подразнює слизові оболонки носа та кон'юнктиву. Організм поглинає його через дихальні шляхи, шкіру та з травного тракту. Через травний тракт гліколь спочатку викликає симптоми, подібні до алкогольного сп'яніння, після чого (через кілька або кільканадцять годин) призводить до метаболічного ацидозу. У разі нагрівання гліколю пара, що утворюється, може призвести до втрати свідомості, а при низьких концентраціях викликає подразнення носа та горла, а також головний біль. Тому при роботі з гліколем варто дотримуватися особливої обережності.

Таблиця 2. Властивості етиленгліколю залежно від концентрації

Порівняння теплоносіїв

Щоб полегшити вибір відповідного теплоносія для конкретної установки, нижче зіставлено ключові параметри води, пропіленгліколю та етиленгліколю — обидва гліколі у типовій концентрації, що забезпечує захист до -25°C.

Таблиця 3. Порівняння теплоносіїв при захисті до -25°C

Вплив теплоносія на витрату — формула теплової потужності

Теплова потужність, що транспортується теплоносієм, описується формулою:

де:

• $\dot{Q}$ — теплова потужність [Вт],
• $\dot{m}$ — масова витрата [кг/с],
• $c_p$ — питома теплоємність теплоносія [кДж/(кг·К)],
• $\Delta T$ — різниця температур подачі та повернення [К].

З цієї формули випливає ключова залежність: чим нижча питома теплоємність теплоносія, тим більша витрата необхідна для передачі тієї ж теплової потужності. Для пропіленгліколю 42% ($c_p$ = 3,70 кДж/(кг·К)) порівняно з водою ($c_p$ = 4,19 кДж/(кг·К)) необхідна масова витрата більша на:

Це означає, що при переході з води на пропіленгліколь 42% необхідно збільшити витрату приблизно на 13%, що безпосередньо впливає на підбір діаметрів трубопроводів та потужність циркуляційних насосів.

Недоліки гліколів

Гліколі мають більшу в'язкість, ніж вода, тим самим спричиняючи більші опори потоку в установці. Крім того, вони характеризуються меншою питомою теплоємністю, через що для передачі певної теплової потужності потрібна більша витрата гліколю, ніж води. Ці недоліки призводять до більших опорів потоку в установці. Ці спирти, крім того, дорожчі за воду та вимагають іншого підходу при виконанні системи заповнення установки.

Через свою токсичність етиленгліколь скоріше використовується як охолоджуюча рідина для автомобільних радіаторів, ніж у санітарних установках. У житлових та громадських будівлях рекомендується використовувати виключно пропіленгліколь завдяки його безпечності.

Вплив гліколю на підбір циркуляційних насосів

Вища в'язкість гліколю порівняно з водою означає більші втрати тиску в трубопроводах та арматурі. У проєктній практиці приймається, що втрати тиску в установці, заповненій гліколем, на 10–15% вищі, ніж у випадку води — залежно від концентрації гліколю та робочої температури.

При підборі циркуляційного насоса для гліколевої установки необхідно враховувати:

• Більшу необхідну витрату — що випливає з нижчої питомої теплоємності (як показано вище, навіть на 13% більше).
• Більші втрати тиску — що випливають з вищої в'язкості теплоносія.
• Вищу густину гліколю — що збільшує гідравлічне навантаження.

В результаті насос для гліколевої установки повинен мати на 15–25% більшу потужність, ніж насос, підібраний для ідентичної установки, що працює на воді. Це варто врахувати вже на етапі проєктування системи опалення, щоб уникнути недорозмірування.

Вплив гліколю на теплообмінники

Гліколь також впливає на продуктивність теплообмінників — як пластинчастих, так і змійовикових. Нижча питома теплоємність та вища в'язкість гліколю спричиняють:

• Погіршення коефіцієнта теплопередачі — навіть на 15–20% порівняно з водою.
• Необхідність збільшення поверхні теплообміну — для отримання тієї ж потужності теплообмінник повинен мати більше пластин або довший змійовик.
• Збільшення втрат тиску на гліколевій стороні — що додатково навантажує насос.

Виробники теплообмінників подають у своїх каталогах корегувальні коефіцієнти для різних концентрацій гліколю. При підборі теплообмінника для гліколевої установки слід завжди перевіряти ці коефіцієнти та відповідно перерозмірувати пристрій.

Гліколь у сонячних установках

У установках сонячних колекторів застосування гліколю є практично обов'язковим. Сонячні колектори та трубопроводи на даху зазнають від'ємних температур у зимовий період, і водночас дуже високих температур влітку (навіть понад 200°C у стані стагнації).

У сонячних установках використовується пропіленгліколь з концентрацією, що забезпечує захист до щонайменше -25°C (у Польщі — навіть до -35°C у північно-східних регіонах). Сонячні препарати містять спеціальні інгібітори корозії та термічні стабілізатори, які захищають гліколь від деградації при високих температурах.

Варто пам'ятати, що гліколь у сонячній установці старіє швидше, ніж у звичайній опалювальній установці, через екстремальні умови роботи. Виробники рекомендують заміну кожні 3–5 років у випадку сонячних установок, тоді як у типових опалювальних установках гліколь може працювати 5–8 років.

Підбір концентрації гліколю

Концентрація гліколю підбирається на основі мінімальної очікуваної температури в установці. Принцип простий: температура кристалізації розчину повинна бути щонайменше на 5°C нижчою від найнижчої передбачуваної робочої температури.

Практичний приклад

Ми проєктуємо опалювальну установку в неопалюваному гаражі в центральній Польщі. Мінімальна температура взимку може знизитися до -20°C. Необхідна температура кристалізації розчину:

З таблиці 1 (пропіленгліколь) зчитуємо, що для захисту до -25°C потрібна концентрація 42%. Це означає, що на кожні 100 літрів розчину потрібно 42 літри чистого пропіленгліколю та 58 літрів води. Об'єм установки можна визначити за допомогою калькулятора об'єму труб.

Не слід застосовувати занадто високі концентрації гліколю «про запас». Концентрація понад 50% спричиняє різке зростання в'язкості (і, як наслідок, опорів потоку), а питома теплоємність значно знижується. Оптимальна концентрація — та, що забезпечує необхідний захист від замерзання при мінімальному погіршенні гідравлічних властивостей.

Заповнення та обслуговування гліколевої установки

Заповнення установки гліколем вимагає спеціалізованого підходу, відмінного від заповнення водою:

• Станція заповнення — гліколь заповнюється за допомогою ручного або електричного насоса з відповідним змішувальним баком. Готовий розчин необхідної концентрації готується перед заповненням.
• Видалення повітря — гліколь важче видаляє повітря, ніж вода, через вищу в'язкість. Необхідно багаторазово видалити повітря з установки в перші дні після заповнення.
• Тиск заповнення — необхідно враховувати вищу густину гліколевого розчину при налаштуванні тиску. При підборі розширювального бака потрібно пам'ятати про збільшене розширення гліколю порівняно з водою — коефіцієнт розширення пропіленгліколю 42% приблизно на 15–20% вищий, ніж у води.

Періодичний контроль та заміна

Гліколь в опалювальній установці не є довговічним безстроково. З часом він втрачає свої захисні властивості:

• Термін служби — у типових опалювальних установках гліколь вимагає заміни кожні 5–8 років. У сонячних установках — кожні 3–5 років.
• Контроль концентрації — кожні 1–2 роки необхідно перевіряти концентрацію гліколю рефрактометром. Зниження концентрації нижче необхідного рівня означає втрату захисту від замерзання.
• Контроль pH — pH розчину повинен становити 7,0–8,5. Зниження нижче 7,0 свідчить про вичерпання інгібіторів корозії та необхідність заміни гліколю.
• Контроль кольору — потемніння або помутніння розчину сигналізує про деградацію гліколю.
• Інгібітори корозії — готові гліколеві препарати містять інгібітори, що захищають установку від корозії. Не слід розбавляти гліколь звичайною водопровідною водою — використовується демінералізована або пом'якшена вода.

Підсумок

Установки, що не мають контакту з від'ємними температурами, заповнюємо водою. Це найбільш оптимальне та просте рішення — вода має найвищу питому теплоємність, найнижчу в'язкість та є найдешевшою. У випадку установок, що зазнають морозів, найкраще використовувати пропіленгліколь — він безпечний, ефективний та широко доступний у готових до розведення препаратах.

Пам'ятайте, що застосування гліколю вимагає врахування його властивостей на кожному етапі проєктування: від підбору діаметрів трубопроводів, через розмірування насосів та теплообмінників, до підбору розширювального бака. Ігнорування цих коригувань є поширеною проєктною помилкою, що призводить до недогрівання приміщень та збільшеного споживання енергії.

Повернутися до списку статей