Czynniki grzewcze — woda, glikol i tabele rozcieńczania dla instalacji

---

Co płynie w naszych rurach, grzejnikach — ogólnie w instalacjach grzewczych? Najczęściej jest to oczywiście zwykła woda. Są jednak jeszcze inne ciecze, które znajdują się w systemach grzewczych. Są nimi przede wszystkim glikole, a kiedyś solanki. Wybór odpowiedniego czynnika grzewczego ma bezpośredni wpływ na wydajność instalacji, dobór pomp, wymiarowanie rur i żywotność całego systemu.

Jeśli projektujesz instalację grzewczą i chcesz sprawdzić, jak rodzaj czynnika wpływa na dobór średnic przewodów, skorzystaj z naszego kalkulatora doboru średnic ogrzewania.

Woda

Najczęściej spotykana ciecz w instalacjach. Jest tak dlatego, że to najtańszy, najpowszechniejszy płyn. Dodatkowo woda posiada wysokie ciepło właściwe na poziomie 4,2 kJ/(kg·K) — jest to wartość większa niż mają glikole. Ta właściwość fizyczna sprawia, że aby transportować określoną moc cieplną, potrzeba mniejszego przepływu wody niż glikolu. Dodatkowo woda ma mniejszą lepkość niż glikole, co ma bezpośredni wpływ na wartość oporów liniowych i miejscowych w przewodach i armaturze. Obie te właściwości przekładają się na koszty pracy pomp obiegowych.

Dodatkowo woda jest neutralna dla środowiska i dla zdrowia ludzkiego. Wszelkie wycieki nie stanowią więc pod tym względem problemu. Jeśli chodzi o same przewody i armaturę, to w przypadku twardej wody mogą się pojawić problemy po jakimś czasie. Na szczęście powszechne są zmiękczacze do wody kotłowej oraz dodatki w postaci inhibitorów korozji, aby zabezpieczyć instalacje i urządzenia grzewcze.

Jedyny minus przy korzystaniu z wody jako czynnika grzewczego pojawia się w przypadku instalacji znajdujących się na zewnątrz budynków lub w nieogrzewanych pomieszczeniach, gdzie temperatura potrafi spaść poniżej zera stopni Celsjusza i dodatkowo są przestoje w pracy instalacji. Woda wtedy w przewodach po prostu zamarznie. Wpływa to niszcząco na armaturę i przewody.

Żeby temu zapobiec, są dwa rozwiązania. Zastosować ciecz niezamarzającą do wymaganej ujemnej temperatury, np. do -25°C, lub owinąć przewody kablami grzejnymi elektrycznymi i zaizolować. Zastosowanie drugiego sposobu niestety nie jest w 100% pewne — mogą się bowiem zdarzyć przestoje w dostawach prądu lub awarie.

Glikol propylenowy

Organiczny związek chemiczny z grupy alkoholi dwuhydroksylowych, czyli dioli. W temperaturze pokojowej jest bezbarwną, bezwonną, oleistą cieczą, o słodkawym smaku i wysokiej lepkości. Uznawany jest za związek nieszkodliwy dla zdrowia, lub o bardzo niskiej szkodliwości. Nie stwierdzono, by powodował uczulenia, nie wykazuje rakotwórczości i nie jest mutagenny. Kontakt z nierozcieńczonym glikolem propylenowym może wywołać podrażnienia oczu i skóry, jednak niegroźne i łatwo ustępujące, zwykle wraz z ustaniem kontaktu. W ciele jest szybko przekształcany w kwas mlekowy (w sposób podobny do przekształcania w mięśniach cukru w energię). W środowisku łatwo ulega biodegradacji. Jest substancją bezpieczną nawet w stężeniu 50% w gotowym preparacie. W instalacjach stosuje się roztwory glikolu o odpowiednim stężeniu, zależnym od tego, do jakiej temperatury potrzebujemy, aby nasz roztwór nie zamarzał.

Tabela 1. Właściwości glikolu propylenowego w zależności od stężenia

Glikol etylenowy

Organiczny związek chemiczny będący najprostszym alkoholem polihydroksylowym (diol), a zarazem i najprostszym alkoholem cukrowym. Jest szeroko stosowany jako składnik samochodowych płynów chłodzących, a także jako prekursor polimerów. W czystej postaci jest bezbarwną, bezzapachową, syropowatą cieczą o słodkawym posmaku. Glikol etylenowy jest toksyczny, a jego połknięcie może spowodować śmierć. Jest substancją szkodliwą, depresyjnie działającą na ośrodkowy układ nerwowy. Działa drażniąco na błony śluzowe nosa i spojówki. Organizm wchłania go poprzez drogi oddechowe, skórę oraz z przewodu pokarmowego. Drogą pokarmową glikol początkowo powoduje objawy podobne do upojenia alkoholem, po czym (po kilku bądź kilkunastu godzinach) doprowadza do kwasicy metabolicznej. W przypadku podgrzewania glikolu powstająca para może prowadzić do utraty przytomności, natomiast w małych stężeniach powoduje podrażnienie nosa i gardła oraz bóle głowy. Warto zatem przy pracy z glikolem zachować szczególną ostrożność.

Tabela 2. Właściwości glikolu etylenowego w zależności od stężenia

Porównanie czynników grzewczych

Aby ułatwić wybór odpowiedniego czynnika dla danej instalacji, poniżej zestawiono kluczowe parametry wody, glikolu propylenowego i glikolu etylenowego — oba glikole w typowym stężeniu zapewniającym ochronę do -25°C.

Tabela 3. Porównanie czynników grzewczych przy ochronie do -25°C

Wpływ czynnika grzewczego na przepływ — wzór na moc cieplną

Moc cieplna transportowana przez czynnik grzewczy opisana jest wzorem:

gdzie:

• $\dot{Q}$ — moc cieplna [W],
• $\dot{m}$ — masowe natężenie przepływu [kg/s],
• $c_p$ — ciepło właściwe czynnika [kJ/(kg·K)],
• $\Delta T$ — różnica temperatur zasilania i powrotu [K].

Z tego wzoru wynika kluczowa zależność: im niższe ciepło właściwe czynnika, tym większy przepływ jest potrzebny do przeniesienia tej samej mocy cieplnej. Dla glikolu propylenowego 42% ($c_p$ = 3,70 kJ/(kg·K)) w porównaniu z wodą ($c_p$ = 4,19 kJ/(kg·K)) wymagany przepływ masowy jest większy o:

Oznacza to, że przy przejściu z wody na glikol propylenowy 42% należy zwiększyć przepływ o około 13%, co bezpośrednio wpływa na dobór średnic przewodów oraz moc pomp obiegowych.

Wady glikoli

Glikole mają większą lepkość od wody, tym samym powodują w instalacji większe opory tłoczenia. Dodatkowo cechują się mniejszym ciepłem właściwym, przez co, aby dostarczyć daną moc grzewczą, potrzeba większego przepływu glikolu niż wody. Wady te wpływają na większe opory tłoczenia w instalacji. Alkohole te są ponadto droższe od wody i wymagają innego podejścia przy wykonywaniu układu napełnienia instalacji.

Przez swoją toksyczność glikol etylenowy jest raczej stosowany jako płyn do chłodnic samochodowych niż w instalacjach sanitarnych. W budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej zaleca się stosowanie wyłącznie glikolu propylenowego ze względu na jego bezpieczeństwo.

Wpływ glikolu na dobór pomp obiegowych

Wyższa lepkość glikolu w porównaniu z wodą oznacza większe straty ciśnienia w przewodach i armaturze. W praktyce projektowej przyjmuje się, że straty ciśnienia w instalacji napełnionej glikolem są o 10–15% wyższe niż w przypadku wody — w zależności od stężenia glikolu i temperatury pracy.

Przy doborze pompy obiegowej dla instalacji glikolowej należy uwzględnić:

• Większy wymagany przepływ — wynikający z niższego ciepła właściwego (jak wykazano powyżej, nawet o 13% więcej).
• Większe straty ciśnienia — wynikające z wyższej lepkości czynnika.
• Wyższą gęstość glikolu — zwiększającą obciążenie hydrauliczne.

W efekcie pompa dla instalacji glikolowej musi mieć o 15–25% większą moc niż pompa dobrana dla identycznej instalacji pracującej na wodzie. Warto to uwzględnić już na etapie projektu instalacji ogrzewania, aby uniknąć niedowymiarowania.

Wpływ glikolu na wymienniki ciepła

Glikol wpływa również na wydajność wymienników ciepła — zarówno płytowych, jak i wężownicowych. Niższe ciepło właściwe i wyższa lepkość glikolu powodują:

• Pogorszenie współczynnika przenikania ciepła — nawet o 15–20% w porównaniu z wodą.
• Konieczność zwiększenia powierzchni wymiany ciepła — aby uzyskać tę samą moc, wymiennik musi mieć więcej płyt lub dłuższą wężownicę.
• Wzrost strat ciśnienia po stronie glikolowej — co dodatkowo obciąża pompę.

Producenci wymienników ciepła podają w swoich katalogach współczynniki korekcyjne dla różnych stężeń glikolu. Przy doborze wymiennika dla instalacji glikolowej należy zawsze sprawdzić te współczynniki i odpowiednio przewymiarować urządzenie.

Glikol w instalacjach solarnych

W instalacjach kolektorów słonecznych stosowanie glikolu jest praktycznie obowiązkowe. Kolektory słoneczne i przewody na dachu są narażone na temperatury ujemne w okresie zimowym, a jednocześnie na bardzo wysokie temperatury w lecie (nawet powyżej 200°C w stanie stagnacji).

W instalacjach solarnych stosuje się glikol propylenowy o stężeniu zapewniającym ochronę do co najmniej -25°C (w Polsce — nawet do -35°C w regionach północno-wschodnich). Preparaty solarne zawierają specjalne inhibitory korozji i stabilizatory termiczne, które chronią glikol przed degradacją w wysokich temperaturach.

Warto pamiętać, że glikol w instalacji solarnej starzeje się szybciej niż w zwykłej instalacji grzewczej ze względu na ekstremalne warunki pracy. Producenci zalecają wymianę co 3–5 lat w przypadku instalacji solarnych, podczas gdy w typowych instalacjach grzewczych glikol może pracować 5–8 lat.

Dobór stężenia glikolu

Stężenie glikolu dobiera się na podstawie minimalnej spodziewanej temperatury w instalacji. Zasada jest prosta: temperatura krystalizacji roztworu powinna być o co najmniej 5°C niższa od najniższej przewidywanej temperatury pracy.

Przykład praktyczny

Projektujemy instalację grzewczą w nieogrzewanym garażu w centralnej Polsce. Minimalna temperatura zimą może spaść do -20°C. Wymagana temperatura krystalizacji roztworu:

Z tabeli 1 (glikol propylenowy) odczytujemy, że dla ochrony do -25°C potrzebujemy stężenia 42%. Oznacza to, że na każde 100 litrów roztworu potrzebujemy 42 litrów czystego glikolu propylenowego i 58 litrów wody. Pojemność instalacji można wyznaczyć korzystając z kalkulatora pojemności rur.

Nie należy stosować zbyt wysokich stężeń glikolu „na zapas". Stężenie powyżej 50% powoduje gwałtowny wzrost lepkości (i co za tym idzie — oporów przepływu), a ciepło właściwe spada znacząco. Optymalne stężenie to takie, które zapewnia wymaganą ochronę przeciwzamrożeniową przy minimalnym pogorszeniu właściwości hydraulicznych.

Napełnianie i konserwacja instalacji glikolowej

Napełnienie instalacji glikolem wymaga specjalistycznego podejścia, odmiennego niż w przypadku wody:

• Stacja napełniająca — glikol napełnia się za pomocą pompy ręcznej lub elektrycznej z odpowiednim zbiornika mieszającym. Gotowy roztwór o wymaganym stężeniu przygotowuje się przed napełnieniem.
• Odpowietrzanie — glikol trudniej odpowietrza się niż woda ze względu na wyższą lepkość. Należy wielokrotnie odpowietrzyć instalację w pierwszych dniach po napełnieniu.
• Ciśnienie napełnienia — należy uwzględnić wyższą gęstość roztworu glikolowego przy ustawianiu ciśnienia. Przy doborze naczynia wzbiorczego trzeba pamiętać o zwiększonej rozszerzalności glikolu w porównaniu z wodą — współczynnik rozszerzalności glikolu propylenowego 42% jest o około 15–20% wyższy niż wody.

Okresowa kontrola i wymiana

Glikol w instalacji grzewczej nie jest trwały bezterminowo. Z czasem traci swoje właściwości ochronne:

• Okres żywotności — w typowych instalacjach grzewczych glikol wymaga wymiany co 5–8 lat. W instalacjach solarnych — co 3–5 lat.
• Kontrola stężenia — co 1–2 lata należy sprawdzić stężenie glikolu refraktometrem. Spadek stężenia poniżej wymaganego poziomu oznacza utratę ochrony przeciwzamrożeniowej.
• Kontrola pH — pH roztworu powinno wynosić 7,0–8,5. Spadek poniżej 7,0 świadczy o wyczerpaniu inhibitorów korozji i konieczności wymiany glikolu.
• Kontrola koloru — ciemnienie lub mętnienie roztworu sygnalizuje degradację glikolu.
• Inhibitory korozji — gotowe preparaty glikolowe zawierają inhibitory chroniące instalację przed korozją. Nie należy rozcieńczać glikolu zwykłą wodą z kranu — używamy wody demineralizowanej lub zmiękczonej.

Podsumowanie

Instalacje niemające kontaktu z ujemnymi temperaturami napełniamy wodą. Jest to najbardziej optymalne i proste rozwiązanie — woda ma najwyższe ciepło właściwe, najniższą lepkość i jest najtańsza. W przypadku instalacji narażonych na mrozy najlepiej wykorzystać glikol propylenowy — jest bezpieczny, skuteczny i powszechnie dostępny w preparatach gotowych do rozcieńczenia.

Pamiętaj, że zastosowanie glikolu wymaga uwzględnienia jego właściwości na każdym etapie projektowania: od doboru średnic przewodów, przez wymiarowanie pomp i wymienników, po dobór naczynia wzbiorczego. Pominięcie tych korekt jest częstym błędem projektowym, który prowadzi do niedogrzewania pomieszczeń i zwiększonego zużycia energii.

Powrót do listy artykułów