Dzień ten z początku wyglądał jak każdy inny. Siedziałem w biurze i byłem zajęty przygotowywaniem dokumentacji projektowej do nowego tematu. Usłyszałem wtedy sygnał telefonu – najpierw kilka dźwięków, a później przyjemny głos koleżanki z sekretariatu: Do Kuby. Wstałem z fotela, podszedłem do telefonu, a następnie chwyciłem słuchawkę i zaraz po przywitaniu się usłyszałem znajomy głos inwestora: Kuba, mamy poważny problem!
Po krótkiej rozmowie okazało się, że problem był naprawdę poważny. Jakiś czas temu, pewna firma projektowa wykonywała dla inwestora projekt instalacji ciepła technologicznego na potrzeby zasilenia nagrzewnicy powietrza w centrali wentylacyjnej. Jak się okazało, instalacja zamarzła, wymiennik ciepła pękł, a część czynnik grzewczego zaczęła się wylewać na podłogę, zalewając pomieszczenie i niszcząc przy okazji kilka przedmiotów…
Abyś mógł uzmysłowić sobie skalę problemu bardziej, dodam, że moc nominalna nagrzewnicy powietrza wynosiła dokładnie 1297 kW, a każdy dzień postoju instalacji mógł przynieść dla inwestora straty sięgające setki tysięcy złotych. O zalanym pomieszczeniu, które skutkowało wyłączeniem go z użytkowania na kilka dni już nawet nie wspomnę.
2 lata wcześniej…
Wszystko zaczęło się 2 lata wcześniej, kiedy to pewna firma wykonywała dla tego inwestora dokumentację projektową instalacji ciepła technologicznego, zasilającą nagrzewnicę powietrza. Projektant zdecydował się na zastosowanie wody w instalacji. zapewniając jednocześnie stały przepływ w obiegu wtórnym (o instalacjach stało i zmiennoprzepływowych możesz przeczytać m. in. tutaj). Oczywiście z punktu widzenia hydraulicznego wszystko zostało wykonane zgodnie ze sztuką inżynierską oraz na co muszę zwrócić uwagę, projekt ten był wykonany naprawdę bardzo dobrze. Projektant zadbał o wysoki autorytet zaworu regulacyjnego, dobrał odpowiednią armaturę, zagwarantował pompie optymalne warunki pracy, itp. Innymi słowy zadbał praktycznie o wszystko, czego najlepszym dowodem była poprawna oraz bezawaryjna praca instalacji ostatniej zimy.
Zatem nasuwa się pytanie – czy podczas pracy instalacji mogło pójść coś nie tak? Raczej nie… Czy projektant faktycznie o czymś zapomniał? No właśnie, w tym momencie muszę wspomnieć o problemie, który wciąż jest pomijany przez wielu projektantów. O co chodzi dokładnie? O czynnik ludzki…
Jak doszło do awarii, która nie miała prawa nastąpić?
Wiesz czemu instalacja, która wydawała się być bezawaryjna uległa uszkodzeniu? Właśnie przez ludzi, a konkretnie przez ekipę serwisową, która zdecydowała się na przegląd instalacji w dniu, kiedy temperatura powietrza na zewnątrz wynosiła ok. -10°C. Ekipa wyłączyła instalację oraz odcięła obieg wtórny przez co woda znajdująca się w rurociągach przestała płynąć. Oczywiście serwisanci nie przejmowali się w ogóle instalacją wentylacji, która cały czas działała normalnie (była to instalacja technologiczna, zapewniająca tylko i wyłącznie nawiew świeżego, uzdatnionego powietrza z zewnątrz).
Jak łatwo możesz się domyślić, woda, znajdująca się w wymienniku ciepła nagrzewnicy była cały czas narażona na kontakt z powietrzem o temp. -10°C. Ponieważ instalacja ciepła technologicznego była wyłączona, woda w wymienniku ciepła stała, a jej temperatura cały czas się obniżała, aż w końcu spadła poniżej zera i zamarzła rozsadzając finalnie instalację.
Oczywiście złe zrządzenie losu sprawiło, że w instalacji wentylacyjnej nie zadziałało zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe, które automatycznie powinno zamknąć przepustnicę za czerpnią powietrza i wyłączyć wentylatory. A dlaczego nie zadziałało? Ponieważ uległo uszkodzeniu kilka miesięcy wcześniej i nie zostało naprawione. Niemniej jednak, moim zdaniem nawet przy działającym zabezpieczeniu i tak istniałoby ryzyko zamarznięcia instalacji. Jeżeli tylko jesteś ciekaw dlaczego tak uważam to zachęcam Cię do zapisania się do mojej listy mailingowej, gdzie dzielę się takimi spostrzeżeniami. Aby zapisać się do tej listy, wystarczy, że wypełnisz poniższy formularz.
Zatem nasuwa się teraz pytanie, czy można było zrobić coś więcej, aby nie doszło do tej awarii? Zdecydowanie tak, ale zanim finalnie, wspólnie znajdziemy rozwiązanie tego problemu, zastanówmy się kiedy podobne układy zamarzają, jak są zabezpieczane oraz jakie są wszelkie inne aspekty, które mają wpływ na poprawną pracę takich obiegów.
Kiedy nagrzewnica powietrza zamarza?
Oczywiście nigdy nie dzieje się tak, że wymiennik ciepła zamarza bez powodu. Tutaj chciałbym Ci opisać kilka sytuacji, które mogą doprowadzić do zamarznięcia czynnika grzewczego w wymienniku, a co za tym idzie do rozsadzenia instalacji. Jednak, aby to nastąpiło musi być spełniony jeden, bardzo ważny warunek – czynnik grzewczy zastosowany w instalacji musi mieć kontakt z powietrzem o temperaturze niższej niż temperatura zamarzania tego czynnika. W przypadku wody będzie to temperatura 0°C, ale np. w przypadku r-r glikolu etylenowego 35% temperatura ta będzie wynosić -20°C.
Zbyt duża ilość powietrza oraz zbyt mały przepływ czynnika
Jeżeli instalacja będzie niepoprawnie zaprojektowana, tzn, ilość strumienia zimnego powietrza przepływającego przez nagrzewnicę będzie zbyt duża w stosunku do przepływu wody grzewczej przez wymiennik, wówczas może dojść do zamarznięcia tej wody. W takiej sytuacji, medium grzewcze nie będzie w stanie równomiernie ogrzać przepływającego przez nagrzewnicę powietrza, ale co gorsza, jego temperatura zacznie się gwałtownie obniżać i może spaść poniżej zera. Oczywiście w takiej sytuacji woda zamarznie.
Zastosowanie systemu zmiennoprzepływowego
Kolejną sytuacją, która może doprowadzić do zamarznięcia wody w instalacji jest zastosowanie systemu zmiennoprzepływowego w obiegu zasilającym wymiennik ciepła. Aby wytłumaczyć Ci dokładnie co mam na myśli wyobraź sobie jak wygląda wymiennik ciepła. Jest to zazwyczaj rząd miedzianych lamel podpiętych pod wspólny kolektor – jak na rysunku poniżej.
Teraz, jeżeli w takim obiegu zastosujemy regulację ilościową czynnika grzewczego to instalacja będzie narażona na powstanie martwych stref na brzegach kolanek, jak na rysunku poniżej. Jest to spowodowane m. in. możliwą zmianą przepływu turbulentnego na laminarny.
W takiej sytuacji, temperatura wody znajdującej się w martwych strefach zacznie się cały czas obniżać, aż w końcu spadnie poniżej zera. Wtedy w takich miejscach powstaną kostki lodu, które nie tylko zwiększą opór wymiennika, ale przede wszystkim spowodują jego rozsadzenie.
Zbyt mały autorytet zaworu regulacyjnego lub zła automatyka
Następną sytuacją, która może doprowadzić do zamrożenia czynnika grzewczego w instalacji jest zbyt niski autorytet zaworu regulacyjnego lub nieodpowiednia automatyka (tzn. automatyka, która pracuje ze zbyt dużym opóźnieniem).
Ale o co dokładnie chodzi z tą automatyką? Aby Ci to dokładnie wyjaśnić, zauważmy jak powinna działać instalacja grzewcza zasilająca nagrzewnicę powietrza. W momencie, kiedy nagrzewnica potrzebuje 100% mocy, wówczas siłownik powinien całkowicie otworzyć zawór regulacyjny tak, aby przepuszczać przez niego maksymalny strumień czynnika grzewczego. Następnie, wraz z upływem czasu oraz przy założeniu, że nagrzewnica nie będzie już potrzebować tyle mocy, siłownik przymknie odrobinę zawór regulacyjny tak, aby zapewnić odpowiednią temperaturę czynnika grzewczego przepływającego przez wymiennika.
No dobra, ale co się stanie, kiedy nastąpi nagły spadek temperatury na zewnątrz, a przez nagrzewnicę zacznie przepływać powietrze o niższej temperaturze? Oczywiście wzrośnie zapotrzebowanie na ciepło i teraz może pojawić się problem…
W normalnej sytuacji, siłownik powinien otworzyć w większym zakresie zawór regulacyjny tak, aby zapewnić większą temperaturę wody zasilającej wymiennik ciepła. Ale… jeżeli automatyka będzie działać ze zbyt dużym opóźnienie, tzn. siłownik nie zadziała od razu, ale po dłuższej chwili, wówczas w pewnych warunkach może dojść do powstania kryształek lodu w wymienniku ciepła, które mogą skutkować… sam wiesz czym.
Inne czynniki mogące doprowadzić do zamarznięcia nagrzewnicy powietrza
Powyżej przedstawiłem Ci tylko 3 sytuacje, które mogą doprowadzić do zamarznięcia instalacji i rozsadzenia wymiennika ciepła. Jednak nie ma co ukrywać, sytuacji takich jest o wiele więcej. Poniżej przedstawię Ci jeszcze kilka innych przypadków, które mogą skutkować podobnym rezultatem:
- niekontrolowane wyłączenie lub awaria instalacji ciepła technologicznego, w tym brak dostawy ciepła z sieci ciepłowniczej
- awaria pompy obiegowej
- awaria siłownika i zablokowanie zaworu regulacyjnego w pozycji zamkniętej
- awaria zasilania elektrycznego
- awaria zabezpieczenia przeciwoblodzeniowego
- nieodpowiedni dobór pompy obiegowej lub zaworu regulacyjnego
- nieodpowiednie zrównoważenie instalacji
- nieodpowiednie podłączenie nagrzewnicy, tj. podłączenie zasilania górnym, a nie dolnym króćcem
- brudny filtr, który spowoduje zwiększenie oporów na instalacji przez co zapewnienie wymaganego przepływu przez odbiornik, zwłaszcza jeżeli znajduje się on na ostatnich odcinkach instalacji może być niemożliwe
Jak można zabezpieczyć nagrzewnicę powietrza przed zamarznięciem?
Trzeba to powiedzieć głośno – problem związany z zamarzaniem wymienników ciepła w nagrzewnicach i rozsadzeniem instalacji wciąż jest powszechny. Dlatego też stosuje się w takich systemach dodatkowe zabezpieczenia, które mają zmniejszyć potencjalne ryzyko powstania lodu w instalacji.
Zastosowanie termostatu z kapilarą
Najpopularniejszym rozwiązaniem, mającym na celu zabezpieczenie instalacji przed zamarznięciem jest zastosowanie termostatu wyposażonego w kapilarę. Kapilarę podpina się do przewodu wentylacyjnego i jest ona odpowiedzialna za pomiar temperatury powietrza za wymiennikiem ciepła (tutaj mam na myśli rekuperator) lub nagrzewnicą.
Jeżeli kapilara zanotuje zbyt niską temperaturę powietrza wentylacyjnego za nagrzewnicą, wówczas powinna zadziałać automatyką i powinien zostać włączony system przeciwzamrożeniowy. System taki zazwyczaj polega na:
- zamknięciu przepustnicy za czerpnią powietrza tak, aby uniemożliwić zaciąganiu zimnego powietrza z zewnątrz
- wyłączeniu wentylatora nawiewnego
- całkowitym otworzeniu zaworu regulacyjnego na instalacji grzewczej
Powyższe rozwiązanie ma na celu jak najszybsze ogrzanie powietrza za nagrzewnicą, ale jak sam widzisz, monitoruje ono przede wszystkim temperaturę powietrza wentylacyjnego, a nie czynnika grzewczego. Jednakże nic nie stoi na przeszkodzie, aby podobne rozwiązanie zastosować na instalacji ciepła technologicznego i umieścić czujnik temperatury na przewodzie wody powrotnej za nagrzewnicą. 🙂
Zastosowanie w instalacji odpowiedniego czynnika grzewczego
Innym sposobem, pozwalającym zabezpieczyć instalację przed zamarznięciem jest zastosowanie w obiegu takiego czynnika grzewczego, którego temperatura zamarzania daje nam gwarancję poprawnej pracy, nawet przy minusowych temperaturach. Np. r-r glikolu etylenowego 35% zamarza w temperaturze poniżej -20°C, zatem może być on stosowany wszędzie tam, gdzie temp. obliczeniowe powietrza zewnętrznego nie są niższe (czyli np. na południu Polski).
Ale czy stosowanie takiego czynnika jest pozbawione wad? Oczywiście, że nie – wszystko zawsze ma dwie strony medalu. Roztwór taki zabezpieczy nam instalację przed zamarznięciem, ale zwiększy koszty samej instalacji jak i późniejszej jej eksploatacji.
Czynnik ten jest czynnikiem gęstszym od wody, a więc będzie generował większe opory w instalacji, przez co pompy obiegowe będą musiały pracować z większą mocą. Dodatkowo nie zaleca się wypełniania r-r glikolu etylenowego instalacji z rur ocynkowanych oraz z rur czarnych, ponieważ glikol przyspiesza ich korozję.
Ostatnim czynnikiem o jakim warto tutaj wspomnieć jest to, że r-r glikolu etylenowego będzie posiadał mniejszą sprawność wymiany ciepła niż miałoby to miejsce w przypadku wody.
Zatem jakie rozwiązanie wybrać?
Założę się, że w tym momencie sam już doszedłeś do wniosku, że nie ma rozwiązania idealnego, a każdy wybór ma swoje wady jak i zalety. Niemniej jednak, osobiście projektując takie instalację staram się brać pod uwagę czynnik ludzki i zapewnić inwestorowi maksymalne bezpieczeństwo oraz zabezpieczenie instalacji (zwłaszcza biorąc pod uwagę potencjalne szkody, które mogą powstać w wyniku awarii). Dlatego też, pomimo kilku wad jakie niesie za sobą stosowanie glikolu w instalacji, uważam, że jest to obecnie rozwiązanie najpewniejsze oraz gwarantujące największą niezawodność.
Oczywiście nie mówię, że systemy z wodą są złe – znam kilka obiektów, gdzie takie rozwiązania działają bezawaryjnie od kilkunastu, a nawet od kilkudziesięciu lat. Niemniej jednak, jak sam widzisz, przypadek o którym Ci napisałem na początku tego artykuły miał być bezawaryjny, a mimo to zawiódł, bo wkradł się czynnik ludzki.
Na zakończenie, jeżeli jesteś ciekaw jak, wspólnie z inwestorem rozwiązaliśmy powstały problem to już Ci spieszę z odpowiedzią. 🙂 Instalacja została przeprojektowania – dołożyliśmy wymiennik ciepła, za którym przewody zostały wypełnione r-r glikolu etylenowego. 🙂
