Urządzenie grzewcze dostarczające ciepłe powietrze do różnego rodzaju pomieszczeń, w którym jest zamontowane, nazywany jest grzejnikiem lub potocznie kaloryferem. Samo słowo pochodzi z języka francuskiego: calorifère, czyli wymiennik cieplny typu woda-powietrze. Jest to jeden z elementów należących do całości, jakim jest układ centralnego ogrzewania. Powszechnie uważa się, że centralne ogrzewanie wynaleźli starożytni Rzymianie. Jednak z „dochodzenia” przeprowadzonego przez elektrociepłownię z Samary (południowo-zachodnia Rosja) wynika, że pierwszy grzejnik został zamontowany w roku 1855 w Sankt Petersburgu. Wynalazcą był Franz San Galli (ur. w Prusach, w Kamieniu Pomorskim), lecz mieszkający w Rosji Niemiec pochodzący z rodziny o włoskich korzeniach. Swój wynalazek nazwał „gorącą skrzynką” i opatentował w Niemczech i USA.
W dzisiejszym artykule weźmiemy pod uwagę dwa grzejniki. Jeden wykonany ze stali, a drugi ze stopu aluminium odlewanego ciśnieniowo lub wytłaczanego.
Grzejnik płytowy stalowy…
a) …jego budowa i różne rodzaje źródła ciepła
Na rys.1 widoczny jest typowy przekrój przez grzejnik stalowy płytowy. Widać na nim następujące elementy składowe, takie jak: płyty grzewcze wraz z poziomymi i pionowymi kanałami wodnymi, blacha konwekcyjna wspomagająca wydajność cieplną, gniazdo wraz z wkładką termostatyczną. W większości przypadków na górze stalowego urządzenia grzewczego jest tzw. grill, który nie ma fabrycznie ukształtowanych „prowadnic” powietrza, które by kierowały ciepłe powietrze w kierunku pomieszczenia. Dla tych urządzeń grzewczych najczęściej spotykaną „kierownicą” jest parapet umieszczony na odpowiedniej minimalnej wysokości powyżej górnej części samego grzejnika i który jest zazwyczaj na całej głębokości samego grzejnika stalowego. Są oczywiście wyjątki (rys.2), w których można to spotkać, ale należy to do rzadkości i zalicza się je do grupy grzejników dekoracyjnych.
Przy zastosowaniu różnego rodzaju źródeł ciepła – od wysokotemperaturowych kotłów przez kondensacyjne, a kończąc na pompach ciepła – bardzo ważnym staje się dla producenta posiadanie szerokiego wachlarza rozmiarów, tj.: wysokości, długości oraz grubości urządzenia grzewczego. Podczas doboru wielkością decydującą o rozmiarze grzejnika jest parametr instalacji, jakim jest temperatura: zasilania, powrotu i temperatura w pomieszczeniu. Natomiast drugim parametrem jest wartość obciążenia cieplnego pomieszczenia (niezależna od parametrów instalacji, a wynikająca z budowy ścian zewnętrznych, stron świata, itp.). Musimy pamiętać, że jeśli wartości temperatury zasilania i powrotu czynnika grzewczego są wyższe, to wielkość grzejnika będzie mniejsza. Wraz ze zmniejszaniem się temperatury wielkość urządzenia grzewczego będzie wzrastała. Grzejniki płytowe dzięki szerokiemu wyborowi rozmiarów (wysokość do 950 mm, długość do 3000 mm, grubość do około 200 mm) powodują, że ich dobór do mieszkania, czy też domu kończy się optymalnym rozwiązaniem pod względem funkcjonalności oraz estetyczności.
b) …a budynki niskoenergetyczne
Coraz bardziej popularne stają się budynki niskoenergetyczne. Jest to nic innego jak obiekt, który cechuje niższe niż w przypadku tradycyjnego budownictwa zapotrzebowanie na ciepło. W celu zmniejszenia zużycia energii wykorzystuje się wyłącznie wentylację mechaniczną z rekuperacją, kolektory słoneczne, niskotemperaturowe źródła ciepła, jak np. pompy ciepła. Nawet pomimo niskich parametrów instalacji centralnego ogrzewania wielkość grzejników stalowych płytowych nie jest duża z uwagi na niedużą wartość obciążenia cieplnego. Fakt, że w takich budynkach stosunek powierzchni przegród zewnętrznych do kubatury budynku jest z reguły niższy niż w tradycyjnych obiektach oraz pomieszczenia są tak usytuowane, by można było korzystać z energii słonecznej do ich dogrzewania i oświetlania powoduje, że nie ma dużo miejsca na montaż urządzeń grzewczych na ścianach zewnętrznych ani na dużą ich liczbę. Z pomocą przychodzi nam wachlarz wielkości, który mamy przy grzejnikach stalowych płytowych, co pozwala na różną kombinację rozmiarów, a tym samym na dopasowanie się do rzeczywistych wymiarów miejsca do montażu.
c) …a korozja, wilgoć i zanieczyszczenia
Zjawiskiem niebezpiecznym dla stalowych grzejników płytowych jest korozja. Dlatego bardzo ważnym aspektem podczas budowy jest zapewnienie optymalnych parametrów przyszłej pracy instalacji. Należy zwrócić uwagę na parametry fizykochemiczne wody, która będzie służyła do uzupełniania zładu instalacji centralnego ogrzewania. Przede wszystkim chodzi tu o: pH (od 8 do 9,5); twardość ogólna (<4 mval/l); zawartość tlenu (<0,1 mg/l); sumaryczna zawartość jonów chlorkowych i siarczanowych (<150 mg/l). Powyższe oraz inne szczegółowe wymagania zawsze możemy znaleźć u danego producenta w ogólnodostępnych warunkach gwarancyjnych na stronach internetowych oraz w materiałach technicznych.
Niebezpieczna jest także dla nich zwiększona wilgotność powietrza, np. w pomieszczeniach łazienek. Ze zwiększonej ilości pary wykrapla się woda na powierzchni grzejnika i gromadzi się na jego dolnej krawędzi. Z upływem czasu pojawia się w tych miejscach ognisko korozji zewnętrznej (rys.3), co może doprowadzić do awarii skutkującej zalaniem. Dlatego, jeśli już mamy konieczność zastosowania płytowego grzejnika stalowego, to do łazienki należy zamawiać i montować je w wersji specjalnej z dodatkową warstwą ocynkowania.
Grzejniki płytowe są także narażone na zanieczyszczenia pływające w instalacji. Jeśli nie wykona się płukania instalacji oraz nie założy się odpowiednich filtrów na dopływie wody do układu c.o., to możemy mieć w późniejszym czasie zjawisko „chłodnego” grzejnika. Stalowe urządzenia grzewcze charakteryzują się małymi wielkościami otworów przepływowych (np. ½ cala) lub jeszcze mniejszej powierzchni pola we wkładce termostatycznej (rys.4). Przy dużej ilości zanieczyszczeń (np. ciał stałych) może dojść do zbyt dużego nagromadzenia się ich w jednym miejscu, a tym samym znacznego zmniejszenia pola powierzchni przepływu czynnika grzewczego i niedostarczenia odpowiedniej ilości strumienia niosącego ciepło.
d) …a rodzaje podłączeń
Bardzo ważną sprawą jest sposób podłączenia grzejnika do całej instalacji centralnego ogrzewania. Na rynku polskim są dostępne stalowe grzejniki z różnymi sposobami podłączeń do instalacji: boczne, dolne, środkowe, krzyżowe, siodłowe oraz podłączenia pośrednie. Na szczególną uwagę zasługują urządzenia grzewcze z podłączeniem od dołu, ale które są na jego środku. Ponieważ czasami zdarza się, że pod wpływem różnych argumentów, zmieniamy decyzję, jeśli chodzi o zakup źródła ciepła, nawet już w trakcie wykonywania przez instalatora przewodów centralnego ogrzewania, co może mieć ogromny wpływ na wielkość grzejników oraz na odległości podłączeń, to przy grzejnikach ze środkowym podłączeniem schodzi to na dalszy plan. Zmiana wielkości nie wpłynie na miejsce wyprowadzenia przewodów pod grzejnik.
Najbardziej rozpowszechnionymi sposobami podłączeń jest podłączenie boczne prawe lub lewe (rys. 5.) oraz podłączenie dolne (rys. 6.), którego króćce podłączeniowe są umiejscowione przy prawej lub lewej dolnej krawędzi grzejnika.
Gdy mamy w pomieszczeniu grzejnik o znacznych wymiarach to bardzo dobrym typem podłączenia jest podłączenie krzyżowe, stosowane przy długościach przekraczających 2000 mm oraz tych, których stosunek wysokości do długości przekracza 4 do 1. Jego zaletą jest równomierny rozkład temperatury na całej długości grzejnika (rys. 7).
W nielicznych sytuacjach możemy spotkać także specyficzne podłączenie nazywane siodłowym (rys.8), które powoduję spadek wydajności cieplnej grzejnika o około 10%, co należy wziąć pod uwagę w przypadku projektowania.
e) …a inne urządzenia grzewcze zrobione z innych materiałów
Szeroka rozpiętość modeli może powodować taką sytuację, że w zależności od gustu spodobają się nam grzejniki wykonane z różnych materiałów. Czy można je mieszać w jednej instalacji ogrzewania w naszym domu?
Wraz z grzejnikami stalowymi płytowymi można zastosować inne grzejniki z różnych materiałów. Jednak należy brać pod uwagę jakimi rurami podłączamy wszystkie elementy w jedną całość, a w szczególności gdy mamy bezpośrednie połączenie miedzi z aluminium. Jednak zawsze przed dokonaniem takiego kroku i zakupu należy zapoznać się z informacjami stosowania lub warunkami gwarancyjnymi podawanymi przez producenta, co do możliwości mieszania różnych materiałów w jednej instalacji.
f) …a obiekty służby zdrowia
Od kilku lat nie ma szczegółowych przepisów dotyczących wymagań co do grzejników stalowych montowanych w obiektach służby zdrowia (brak przepisów w rozporządzeniach nawet ministra zdrowia, brak konieczności posiadania Atestów Higienicznych od Państwowego Zakładu Higieny) to jednakże przyzwyczajenia inspektorów nadzoru i innych służb uczestniczących w odbiorach końcowych budynku nie spowodowały wyeliminowania tzw. wersji higienicznych grzejnika płytowego. Jest to urządzenie grzewcze składające się z samych płyt grzewczych i bez elementów blachy konwekcyjnej oraz osłon bocznych i górnego grilla. System zawieszeń także musi być odpowiedni (pomimo znowu braku odpowiednich zapisów w prawie), który to odsuwa grzejnik, pozostawiając odległość 10 cm pomiędzy ścianą a „plecami” grzejnika.
g) …a dane techniczne
Dla przykładu grzejnik stalowy płytowy o wydajności cieplnej 1114 W przy parametrach 75/65/20ºC z podłączeniem z boku, dwupłytowy, o wysokości całkowitej 550 (co daje rozstaw w osiach przyłączy identyczny jak w urządzeniu aluminiowym wynoszącym równo 500 mm) oraz o długości całkowitej równej 700 mm. Jego całkowita pojemność wodna oraz ciężar (bez wody) wynoszą odpowiednio 4,27 litra oraz 21,42 kg. Ciśnienie robocze wynosi 10 bar, a maksymalne 13 bar, przy czym mogą pracować w instalacji o maksymalnej temperaturze 110ºC.
Grzejnik aluminiowy…
a) …jego budowa, proces produkcji i różne rodzaje źródła ciepła
Na rys. 9 pokazano przykładowy grzejnik aluminiowy. Pokazuje on wszystkie elementy grzejnika: przednią, czołową część widoczną przez końcowych użytkowników; dwa poziome kanały wodne; pionowe kanały wodne; ożebrowanie konwekcyjne (żeberka); wyloty powietrza skonstruowane w sposób mający za zadanie kierowanie powietrza w stronę pomieszczenia. Elementy aluminiowe – tzw. człony, są wykonane ze stopu aluminium odlewanych ciśnieniowo lub wytłaczanych. Sam proces ich malowania przebiega w dwóch etapach. Pierwszy polega na położeniu warstwy lakieru metodą anaforezy mającej na celu ochronę grzejnika, a drugi etap jest to malowanie lakierem proszkowym nadającym ostateczny wygląd. Większość producentów grzejników aluminiowych oferuje gotową liczbę fabrycznie skręconych członów po kilka do kilkunastu, za pomocą specjalnych nypli, tworząc tym samym jedną całość. Oczywiście podczas dalszej eksploatacji można te człony rozkręcić lub dokręcić nowe.
Tak jak w przypadku grzejników płytowych stalowych, tak i grzejniki aluminiowe obowiązuje taka sama zasada doboru – im niższe są temperatury zasilania i powrotu czynnika grzewczego tym wielkość grzejnika będzie większa (przy założeniu identycznego obciążenia cieplnego). Przy chęci zastosowania grzejników aluminiowych jesteśmy bardzo mocno ograniczeni pod względem wysokości oraz grubości samego urządzenia. Jedynym parametrem, na który mamy znaczny wpływ to długość, którą regulujemy poprzez zwiększenie lub zmniejszenie liczby członów.
b) …a budynki niskoenergetyczne
Jeśli rozpatrujemy grzejniki aluminiowe w obiektach zużywających bardzo mało energii to oczywiście możemy je zastosować. Jedyną przeszkodą dla optymalnego rozwiązania może być fakt ograniczonego pola manewru w wysokości i grubości. Co w przypadku małej ilości miejsca montażowego może być kluczowym argumentem przemawiającym na ich niekorzyść, z uwagi na brak szans doboru odpowiedniej wielkości urządzenia grzewczego spełniającego jedną z podstawowych funkcji. A mianowicie zapewnienie odpowiedniej ilości ciepła potrzebnego na pokrycie strat pomieszczenia.
c) …a korozja, zanieczyszczenia i uszkodzenia mechaniczne
Jak każde urządzenie mające bezpośredni kontakt z wodą, także i grzejnik aluminiowy jest narażony na korozję. Jedna z przodujących firm zaproponowała innowacyjną technologię tzw. powłokę antykorozyjną. Jest to powłoka na bazie żywicy, której głównym zadaniem jest ochrona komory grzejnika oraz zapobieganie korozji poprzez niedopuszczenie do gromadzenia się mułu. Jak wykazały testy dzięki nowej powłoce, w grzejnikach nie dochodzi do powstania pęcherzyków gazu obniżających wydajność cieplną, dzięki czemu problem nierównej dystrybucji energii cieplnej został wyeliminowany (rys.10).
Grzejniki aluminiowe są mniej narażone na zanieczyszczenia pływające w instalacji, ponieważ mają o wiele większe średnice podłączeniowe króćców przyłączeniowych. Najczęściej wymiar ten to GW 1″. Ale oczywiście należy także przy nich pamiętać o odpowiednim przepłukaniu instalacji, szczególnie przed pierwszym uruchomieniem oraz zadbaniem o odpowiednią armaturę filtracyjną. Większe przekroje średnic umożliwiają zastosowania większej armatury przyłączeniowej, a tym samym mniej naraża nas na ewentualne jej „zapchanie” się.
Jednak plastyczność materiału, z jakiego są one wyprodukowane powodują, że są one o wiele mniej wytrzymałe, niż grzejniki stalowe płytowe, na jakiekolwiek uszkodzenia mechaniczne. Może to powodować powstawanie awarii samego grzejnika, którego przejawem w wielu przypadkach jest niekontrolowany wyciek czynnika grzewczego.
d) …a rodzaje podłączeń
W większości standardowe grzejniki aluminiowe wykonane ze stopu aluminium mają podłączenie boczne z rozstawem między otworami równe 500 mm, licząc w ich osiach. Oczywiście istnieją grzejniki o mniejszej lub większej wysokości, a tym samym o mniejszym lub większym rozstawie, licząc w osiach otworów jak np. rozstaw przyłączy 350 mm a wysokość całkowita równa 407 mm (rys.11). Jednakże jest także możliwe podłączanie takich grzejników od dołu z rozstawem standardowym 50 mm, licząc w osiach otworów. Ma to zasadnicze znaczenie z bardzo prostego powodu, a mianowicie takie samo podłączenie mają przecież grzejniki stalowe płytowe. Grzejniki aluminiowe podłączane od dołu, jak i grzejniki panelowe mają określone konkretnie, gdzie ma być przewód zasilający, jak i powrotny. W większości przypadków, w obu typach urządzeń grzewczych spotkać możemy sytuację, w której przewód zasilający jest bliżej środka grzejnika a przewód powrotny bliżej jego krawędzi.
e) …a inne urządzenia grzewcze zrobione z innych materiałów
Urządzenia grzewcze aluminiowe można stosować w jednej instalacji z innymi grzejnikami, ale przy tym należy pamiętać, że podłączając miedziane przewody centralnego ogrzewania należy bezwzględnie stosować przekładki dielektryczne, które separują oba materiały od siebie i nie tworzy się tzw. ogniwo, które powodowałoby pojawienie się zjawiska korozji. Niektórzy producenci wymagają, aby przy instalacji aluminiowo-miedzianej bezwzględnie zastosować tzw. inhibitory korozji.
f) …a obiekty służby zdrowia
Z uwagi na budowę grzejnika aluminiowego nie występuje on w wersji tzw. higienicznej (bez elementów konwekcyjnych). Z uwagi na uciążliwość czyszczenia takiego grzejnika nie ma on praktycznie żadnego zastosowania w obiektach takich jak np. szpital czy też przychodnia. Aczkolwiek, jak już wspomniane było to przy grzejnikach płytowych, brak jakichkolwiek zapisów w prawie polskim o wymaganiach dotyczących urządzeń grzewczych w obiektach służby zdrowia daje producentom urządzeń aluminiowych furtkę do ich właśnie takiego stosowania.
g) …a dane techniczne
Niewątpliwą zaletą grzejników aluminiowych jest ich ciężar oraz pojemność wodna pojedynczego członu. Np. urządzenie grzewcze składające się z 10 elementów o wysokości całkowitej 581,5 mm, którego to sumaryczna pojemność wodna jest równa 3,7 dm3 (co w przeliczeniu na 1 element wychodzi w przybliżeniu 0,37 dm3), a waga całego urządzenia grzewczego (bez wody) wynosi 13,9 kg (1,39 kg/człon). Wykładnik n dla opisywanego grzejnika jest podawany dla jednego członu i jest równy 1,3096. Wydajność cieplna przy ∆T= 50ºC jest równa 1120 W (112 W/człon). Innymi bardzo ważnymi parametrami branymi pod uwagę są wartości maksymalnego ciśnienia i maksymalnej temperatury czynnika grzewczego. Większość grzejników aluminiowych posiada ciśnienie robocze do 1,6 MPa a maksymalną temperaturę roboczą nie większą niż 95ºC.