W swoim kolejnym cyklu poświęconym regulacji układów ogrzewczych* omówię tematykę urządzeń i armatury współpracującej z grzejnikami podłogowymi w zakresie najczęściej spotykanych rozwiązań instalacyjnych układów regulacyjnych.

Scharakteryzuję zasadę ich pracy i wpływ na proces regulacji parametrów pracy grzejników. Podam także praktyczne wskazówki instalacyjne i wskażę wybrane uchybienia przy instalacji i w trakcie użytkowania tych układów. W tym artykule, stanowiącym pierwszą część cyklu, przyjrzymy się układom regulacji temperatury grzejnika podłogowego, bez układów regulacji temperatury pomieszczenia.

Grzejniki płaszczyznowe, w tym grzejniki podłogowe, wymagają stosowania dedykowanych rozwiązań instalacyjnych, odmiennych od tych, jakie wykorzystywane są w przypadku grzejników konwekcyjnych. Wynika to m.in. z potrzeby ograniczenia maksymalnej temperatury zasilania i zabezpieczenia przez przekroczeniem dopuszczalnej temperatury podłogi, a także z konieczności zapewnienia odpowiednio dużego ciśnienia czynnego i strumienia płynącego czynnika (duża długość wężownicy i łuków generuje wysokie opory hydrauliczne, które musi pokonać pompa, zaś małe wychłodzenia czynnika generuje relatywnie wysoki jego strumień w celu dostarczenia wymaganej mocy). Dodatkowo grzejnik podłogowy musi zapewniać komfortową temperaturę w ogrzewanym pomieszczeniu. Nierzadko spotyka się również połączenie w jednej instalacji grzejników połogowych z grzejnikami konwekcyjnymi, co również ma wpływ na wybór i działanie układu regulacyjnego.
Pomimo wielu wspólnych wymagań dotyczących grzejników podłogowych, spotkać można różne rozwiązania instalacyjne i różne układy sterujące, pełniące wybrane bądź wszystkie z ww. funkcji. Przedstawiono i opisano je w dalszej części, od najprostszych po bardziej zaawansowane, spotykane w praktyce.

Układy z jednodrogowym zaworem termostatycznym
Patrząc z punktu widzenia temperatury w pomieszczeniu, moc cieplną grzejnika podłogowego można regulować tak samo jak moc cieplną grzejnika konwekcyjnego, czyli z użyciem zaworu termostatycznego zamontowanego na zasilaniu lub na powrocie grzejnika. Zaprezentowano to na rys. 1. W takim przypadku należy zastosować głowicę z czujnikiem wyniesionym, który trzeba umieścić w miejscu reprezentatywnym dla pomiaru temperatury w danym pomieszczeniu. Układ będzie działał tak samo jak w przypadku regulacji mocy cieplnej grzejnika konwekcyjnego.
Funkcjonowanie prostego układu z czujnikiem pomieszczeniowym (rys. 1). W tym układzie, gdy temperatura mierzona przez czujnik pomieszczeniowy (CP) jest równa temperaturze zadanej t_zad na głowicy (1), to stopień otwarcia sterowanego przez nią zaworu (2) jest równy nominalnemu (projektowemu) stopniowi otwarcia. Jeżeli mierzona temperatura wzrasta, głowica (1) przymyka zawór (2), w wyniku czego do grzejnika wpływa mniejsza ilość czynnika i zmniejsza się emitowana przez niego moc cieplna. W wyniku tego spada temperatura w pomieszczeniu i temperatura mierzona przez czujnik (CP). W sytuacji spadku temperatury mierzonej przez czujnik (CP) sytuacja jest odwrotna. Głowica (1) otwiera zawór (2), zwiększając przepływ aż do momentu osiągnięcia wymaganej temperatury na czujniku (CP).
! Występują jednak czynniki, które w praktyce uniemożliwiają zastosowanie tak prostego układu. Podstawowym jest maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni grzejnika. Zawór termostatyczny regulujący temperaturę w ogrzewanym pomieszczeniu nie zabezpiecza przed jej przekroczeniem, a w pewnych sytuacjach może nawet działać wbrew temu warunkowi.

Na przykład, gdy w pomieszczeniu pojawią się duże chwilowe straty strumienia ciepła, powodowane np. otwarciem okien, czujnik (CP) wyśle sygnał do zaworu (2), otwierając go i zwiększając strumień czynnika, a tym samym temperaturę powierzchni grzejnika. Podobna sytuacja może wystąpić w przypadku, gdy grzejnik jest zbyt mały (lub ma zbyt duży rozstaw rur) i nie jest w stanie pokryć strat strumienia ciepła danego pomieszczenia. Wówczas głowica (1), starając się osiągnąć wymaganą, zadaną na niej temperaturę t_zad, będzie otwierać zawór (2) znacznie ponad wartość projektową, przepuszczając większą ilość czynnika i tym samym powodując potencjalne przekroczenie dopuszczalnej temperatury powierzchni grzejnika. Przy dużej różnicy między wartością zadaną na głowicy t_zad a wartością mierzoną przez jej czujnik (CP) może się okazać, że nawet całkowite otwarcie zaworu nie zapewni podniesienia temperatury w pomieszczeniu do wymaganego poziomu, mimo trwałego przekroczenia dopuszczalnej temperatury powierzchni grzejnika. Kolejnym zjawiskiem wykluczającym zastosowanie typowego termoregulatora grzejnikowego jest bezwładność cieplna układu grzejnik–pomieszczenie–czujnik–kapilara–głowica. W chwili rozpoczęcia podwyższania się temperanienie wiąże się z reakcją czujnika na wzrost temperatury w pomieszczeniu, a następne – z przekazaniem sygnału kapilarą do zaworu. Wypadkowo zatem opóźnienie może być na tyle duże, że przekroczenie temperatury powierzchni grzejnika będzie się utrzymywało długo.

! Aby zapobiec przekraczaniu dopuszczalnej temperatury powierzchni grzejnika, najkorzystniej jest nie dopuścić do zasilenia go czynnikiem o zbyt wysokiej temperaturze. Układ regulacyjny powinien mieć zatem czujnik temperatury czynnika wpływającego do grzejnika. Tak zmodyfikowany układ, z pewnymi dodatkowymi elementami, zaprezentowano na rys. 2.

Funkcjonowanie układu z czujnikiem przylgowym, ręcznym zaworem na obejściu mieszającym i wyłącznikiem termicznym (rys. 2). Układ jest wyposażony w zawór regulacyjny (2) z głowicą termostatyczną (1) o wyniesionym (zdalnym) czujniku (cz). Z uwagi na to, że czujnik jest zamontowany na początku wężownicy grzejnika, zapewniona jest możliwość ograniczenia temperatury całego grzejnika do wartości w przybliżeniu nie większej niż zadana na głowicy (1). Układ dąży więc do tego, aby temperatura na wyjściu z punktu mieszania, a na wejściu do pętli grzejnika, była równa wartości zadanej na głowicy termostatycznej zaworu regulacyjnego:

Gdy temperatura w punkcie przyłożenia czujnika (cz) (najczęściej przewodu wężownicy) – praktycznie równa temperaturze w punkcie mieszania (WM) – jest równa temperaturze zadanej t_zad na głowicy (1), to stopień otwarcia sterowanego przez nią zaworu (2) jest równy nominalnemu. Gdy temperatura w punkcie mieszania (WM) wzrasta, głowica (1) przymyka zawór (2), w wyniku czego do węzła mieszania (WM) wpływa mniejsza ilość czynnika o temperaturze t_z, a większa o temperaturze tp z powrotu grzejnika. W wyniku tego spada temperatura w punkcie mieszania (WM) i zasilania grzejnika oraz spada jego moc. W sytuacji spadku temperatury mierzonej przez czujnik (cz) sytuacja jest przeciwna. Głowica (1) otwiera zawór (2) ponad zadaną wartość nominalną, zwiększając przepływ aż do osiągnięcia wymaganej temperatury na czujniku (cz).
Znajdujący się w układzie ręczny zawór (3) w obejściu mieszającym („by-passie”) służy z kolei do ustawiania maksymalnej wartości temperatury w punkcie mieszania (WM) i zasilania grzejnika. Gdy jest on w pełni zamknięty, do węzła mieszania (WM) dopływa jedynie czynnik zasilający o temperaturze t_z , a wraz ze wzrostem stopnia otwarcia zaworu (3) do węzła (WM) dopływa coraz większa ilość czynnika powrotnego o temperaturze tp z grzejnika, a maleje ilość czynnika o temperaturze t_z . W wyniku tego obniża się temperatura zasilania grzejnika. Gdy zawór (2) jest całkowicie zamknięty, do węzła (WM) i tym samym do grzejnika dopływa jedynie czynnik z powrotu grzejnika, mający temperaturę tp. Pełne zamknięcie zaworu (2) może nastąpić wtedy, gdy temperatura zasilania tz jest wyższa od temperatury zadanej t_zad o ustawiony nominalny zakres proporcjonalności zaworu (2) i głowicy (1).
! Ręczny zawór (3) na obejściu mieszającym nie powinien być nastawiony na pełne zamknięcie, mimo że regulację temperatury zasilania grzejnika zapewnia układ termostatyczny z wyniesionym czujnikiem przylgowym (cz). Zawór ten bowiem zabezpiecza układ w przypadku uszkodzenia kapilary łączącej głowicę (1) z czujnikiem (cz) lub w przypadku słabego kontaktu czujnika (cz) z miejscem kontaktu z grzejnikiem.

Układ umożliwia zatem uzyskanie czynnika zasilającego grzejnik o temperaturze z przedziału:
W praktyce ustawianie stopnia otwarcia zaworu regulacyjnego (3) jest dokonywane metodą prób i błędów na działającej instalacji:

• przy maksymalnej temperaturze t_z ,
• przy czujniku temperatury (cz) zdjętym z punktu pomiaru temperatury oraz
• przy maksymalnej nastawie temperatury na głowicy termostatycznej (1).

Maksymalna nastawa i usunięcie czujnika (cz) ma na celu zminimalizowanie oporu hydraulicznego zaworu (2), na który oddziałuje głowica. Przy ustawieniach jak wyżej należy powoli otwierać obejściowy zawór regulacyjny (3) od pozycji zamkniętej, obserwując przyrost temperatury w punkcie mieszania (WM). Po osiągnięciu maksymalnej temperatury zasilania grzejnika nastawę zaworu (3) należy zablokować lub zdjąć pokrętło zaworu, aby nastawa nie została przypadkowo zmieniona. Po dokonaniu nastawy na zaworze regulacyjnym (3) należy odpowiednio przymocować czujnik (cz) w miejscu pomiarowym i ustalić odpowiednią nastawę na głowicy termostatycznej (1), właściwą dla temperatury zasilania grzejnika.

Dodatkowym zabezpieczeniem układu jest wyłącznik termiczny (4), którego zadaniem jest wyłączenie pompy obiegowej (5), gdy temperatura czynnika zasilającego grzejnik przekroczy w punkcie (ZT) wartość zadaną na pokrętle wyłącznika termicznego (4). Z tego względu wartość zadana na wyłączniku termicznym (4) powinna być o około 5°C wyższa od wartości zadanej na głowicy termostatycznej (1). Przekroczenie zadanej temperatury w punkcie (ZT) może wystąpić na przykład wtedy, gdy zanieczyszczenie krążące w instalacji zablokuje grzybek zaworu regulacyjnego (2) lub gdy ciśnienie w instalacji będzie na tyle wysokie, że pokona siłę docisku głowicy termostatycznej (1).

Co ważne, układ nie ma czujnika temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu, a jedynie czujnik przylgowy do wężownicy, tj. do powierzchni grzejnika. Nie umożliwia zatem automatycznej regulacji i stabilizacji temperatury w pomieszczeniu i nie jest w stanie zapewnić warunków komfortu cieplnego. Zmiany temperatury mogą być dokonywane przez ręczną ingerencję w nastawienie głowicy termostatycznej.
! Układ zaprezentowany na rys. 2 jest zatem głównie systemem zapobiegającym przekroczeniu dopuszczalnej temperatury grzejnika. Na podobnej zasadzie działa ogranicznik temperatury powrotu, omówiony w dalszej części cyklu, jednak powyższy układ zabezpiecza przed wpływem czynnika o zbyt wysokiej temperaturze do grzejnika, czego nie jest w stanie zapewnić ogranicznik temperatury powrotu, ograniczający jedynie średnią wartość temperatury grzejnika.

Układ regulacji a temperatura źródła ciepła
Układ z poprzedniego wariantu, czyli z jednodrogowym zaworem termostatycznym o wyniesionym (zdalnym) czujniku przylgowym oraz z ręcznym zaworem na obejściu (rys. 2), ma pewne ograniczenia utrudniające jego praktyczne zastosowanie w przypadku niskotemperaturowych źródeł ciepła oraz źródeł ciepła o szerokim zakresie zmian temperatury czynnika grzewczego t_z . Jak podano, temperatura po zmieszaniu jest w tamtym przypadku zawsze niższa niż temperatura zasilania:Oznacza to, że temperatura grzejnika zawsze jest niższa niż temperatura zasilania:

W przypadku źródeł wysokotemperaturowych, na przykład klasycznych kotłów stałopalnych bez buforów ciepła, warunek ten jest praktycznie zawsze spełniony. Nie jest bowiem pożądane, aby temperatura zasilania, a tym samym temperatura powrotu była na niskim poziomie, typowym dla ogrzewania podłogowego (problem kondensacji pary wodnej ze spalin).
W przypadku natomiast źródeł niskotemperaturowych, dla których korzystna jest praca na niskich wartościach t_z , warunek ten może nie być spełniony i grzejnik może nie otrzymać czynnika o odpowiednio wysokiej temperaturze. Problem potęguje dodatkowo zmienność temperatury zasilania t_z w trakcie sezonu ogrzewczego, która jest automatycznie dostosowywana do zewnętrznych warunków temperaturowych. W okresie przejściowym sezonu ogrzewczego, tj. jesienią i wiosną, układ centralnej regulacji jakościowej może określić optymalną temperaturę zasilania t_z niższą niż wymagana temperatura zasilania grzejnika (w punkcie (cz)). Wówczas z kolei należałoby, tylko z tego powodu, podwyższyć temperaturę czynnika wypływającego ze źródła ciepła. W instalacji natomiast mogą równocześnie pracować grzejniki konwekcyjne, dla których nie będzie to korzystne, gdyż będzie wymagało większego dławienia na termoregulatorach grzejnikowych i tym samym powodowało stratę energii zużytej wcześniej do podgrzania czynnika dla grzejnika podłogowego. Do źródeł niskotemperaturowych można na przykład zaliczyć pompy ciepła, kondensacyjne kotły gazowe, kolektory słoneczne czy też kotły stałopalne z buforami ciepła.Układ z termostatycznym zaworem dwudrogowym na powrocie
Omówionych ograniczeń jest pozbawiony układ zaprezentowany na rys. 3, w którym możliwe jest uzyskiwanie wyższych temperatur w punkcie zmieszania i na dopływie do grzejnika. Zawór regulacyjny z głowicą termostatyczną i ręczny zawór regulacyjny na obejściu zastąpiono tutaj dwudrogowym zaworem (2) z głowicą termostatyczną (1), pracującym jako zawór rozdzielający. Zasada działania jest podobna i oparta na zjawisku mieszania się strumieni czynnika zasilającego instalację i powrotnego z grzejnika, w wyniku czego otrzymuje się czynnik o pożądanej, pośredniej temperaturze, podawany na grzejnik. Różnica polega na tym, że proces działa automatycznie i nie ma konieczności wstępnego ustalania przepływu przez obejście (by-pass). Zawór dwudrogowy pracuje, zmieniając równocześnie strumienie w obu regulowanych gałęziach. Gdy w jednej z nich powoduje zwiększenie strumienia, w drugiej powoduje jego zmniejszenie. W takim przypadku parametrem regulowanym jest także temperatura w miejscu przyłożenia czujnika (cz).

Gdy temperatura w punkcie przyłożenia czujnika (cz) (najczęściej na początku wężownicy) równa jest równa temperaturze zadanej t_zad na głowicy (1), to stopień otwarcia sterowanego przez nią zaworu (2) jest równy nominalnemu. Gdy temperatura w punkcie przyłożenia czujnika, a tym samym w punkcie mieszania (WM) wzrasta, to głowica (1) redukuje przepływ przez króciec odprowadzający (p) czynnik do instalacji, a tym samym przepływ czynnika dopływającego w przewodzie (z) do punktu mieszania (WM), jednocześnie zwiększając przepływ czynnika przez obejście (by-pass) do punktu mieszania (WM). Tym samym zwiększa się udział czynnika wychłodzonego tp powracającego z grzejnika i maleje temperatura czynnika w punkcie mieszania (WM), maleje temperatura czynnika zasilającego grzejnik oraz maleje jego moc. W sytuacji spadku temperatury mierzonej przez czujnik (cz) sytuacja jest przeciwna.

Całkowite zamknięcie zaworu dwudrogowego (2) może nastąpić, gdy temperatura zasilania tz jest znacząco wyższa od temperatury zadanej t_zad na głowicy termostatycznej (1) lub gdy temperatura zadana na głowicy termostatycznej jest bliska temperaturze pomieszczenia, w którym jest zabudowany grzejnik powierzchniowy. Jest to forma ochrony grzejnika przed przegrzaniem.
Drugim skrajnym przypadkiem jest sytuacja, gdy zawór dwudrogowy (2) jest całkowicie otwarty. Wówczas temperatura czynnika za węzłem mieszającym (WM) jest równa temperaturze zasilania tz. Taka sytuacja może wystąpić, gdy temperatura zasilania tz jest równa lub mniejsza od temperatury zadanej t_zad na pokrętle głowicy termostatycznej.
! Powyższy przypadek stanowi zasadniczą różnicę w działaniu układu regulacji temperatury z zastosowaniem zaworu termostatycznego dwudrogowego w stosunku do układu mieszającego z zastosowaniem zaworu termostatycznego przelotowego, opisanego w poprzednim punkcie. W tamtym przypadku temperatura za węzłem mieszającym (WM) jest zawsze niższa niż temperatura zasilania t_z.

Układ ten teoretycznie umożliwia osiąganie przez czynnik wpływający do grzejnika temperatur skrajnych, zgodnie z warunkiem:gdyż automatyczne sterowanie zaworem umożliwia osiągnięcie przez niego krańcowych pozycji działania (zawór w pełni otwarty lub w pełni zamknięty). W praktyce zawo-=ry dwudrogowe często wykonuje się w taki sposób, aby zapewnić minimalny przepływ w danej gałęzi, przy pełnym zamknięciu (zapewniając konstrukcyjnie nieszczelność przy pełnym zamknięciu).

Analogicznie jak w poprzednim układzie (rys. 2), dodatkowym zabezpieczeniem grzejnika jest wyłącznik termiczny (3), którego zadaniem jest wyłączenie pompy obiegowej (4), gdy temperatura czynnika przekroczy w punkcie (ZT) wartość zadaną na pokrętle wyłącznika termicznego. Z tego względu wartość zadana na wyłączniku termicznym winna być o około 5°C wyższa od wartości zadanej na głowicy termostatycznej (1). Gdy temperatura ustawiona na wyłączniku termicznym (ZT) jest równa lub nieznacznie wyższa od temperatury t_zad ustawionej na głowicy termostatycznej (1), wówczas będzie występować zakłócenie pracy układu przez wyłączenie pompy. W przypadku ustawienia temperatury na wyłączniku termicznym (ZT) niższej niż temperatura ustawiona na głowicy termostatycznej (1) będzie następowało cykliczne wyłączanie i włączanie pompy obiegowej. Średni czas pracy pompy będzie zależał od różnicy temperatury tz i tp, a częstość włączeń i wyłączeń będzie zależeć od bezwładności cieplnej układu. Przekroczenie zadanej temperatury w punkcie (ZT) może wystąpić:

• gdy zanieczyszczenie z instalacji zablokuje grzybek zaworu dwudrogowego (2),
• gdy ciśnienie w instalacji pokona siłę docisku głowicy termostatycznej lub
• gdy kapilara ulegnie uszkodzeniu.

! Podobnie jak poprzedni układ (rys. 2), tak i układ z termostatycznym zaworem dwudrogowym na powrocie (rys. 3) nie ma czujnika temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu, a jedynie czujnik przylgowy do wężownicy, powierzchni grzejnika. Jest zatem głównie systemem ograniczania temperatury grzejnika przed przekroczeniem jej dopuszczalnej wartości.

Układ z termostatycznym zaworem dwudrogowym na zasilaniu
Układ ten jest analogiczny do układu regulacji temperatury grzejnika podłogowego z termostatycznym zaworem dwudrogowym na powrocie (rys. 3) i działa na takiej samej zasadzie. Dwudrogowy zawór regulacyjny, wyposażony w głowicę termostatyczną, jest jednak zainstalowany na zasilaniu; pracuje zatem jako zawór mieszający. Schemat układu zaprezentowano na rys. 4.
! Ogólnie, te same zawory dwudrogowe można stosować zamiennie w obu układach (rys. 3 – rys. 4), najczęściej jednak są one konstrukcyjnie różnicowane. Podobnie bowiem jak w przypadku jednodrogowych zaworów regulacyjnych korzystnie jest, aby napływ czynnika występował pod grzybek. Zwykle jednak zawory przystosowane do pracy jako mieszające są wykonywane w szerszym asortymencie przepustowości (współczynników przepływu) oraz mogą one pracować przy większych różnicach ciśnienia. Ponadto tego typu zawory często są wykonywane tak, aby przy pełnym zamknięciu jednego króćca zapewnić pewien niewielki strumień czynnika w drugim króćcu. Przydatne jest to na przykład w układach, które omówię w dalszej części cyklu, gdzie oprócz zaworu dwudrogowego jest też stosowany przelotowy zawór termostatyczny. W takiej bowiem sytuacji może wystąpić całkowite zablokowanie przepływu czynnika przez grzejnik, a tym samym praca pompy bez przetłaczania czynnika, jeśli nie jest ona sterowana elektronicznie i nie wyłączy się w takim przypadku sama lub gdy występują inne zakłócenia uniemożliwiające jej wyłączenie. Wykonanie zaworu z zapewnieniem minimalnego przecieku rozwiązuje ten problem.
Poglądowe widoki zaworów dwudrogowych w obu wariantach przedstawiono na rysunku 5.
Podobnie jak poprzednio, również układ z zaworem dwudrogowym na zasilaniu nie ma czujnika temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu, a jedynie czujnik przylgowy do wężownicy, powierzchni grzejnika. Jest on zatem głównie systemem ograniczania temperatury grzejnika przed przekroczeniem jej dopuszczalnej wartości.

Literatura:
[1] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne, wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019

* W ubiegłorocznych wydaniach „Polskiego Instalatora” („PI” 1-2, 3, 4-5, 6, 7-8 i 10/2020) zaprezentowaliśmy cykl artykułów autora „Regulacja hydrauliczna a efektywność i komfort”.