Chladicí kapalina v topném systému: jak ji vybrat, načerpat a jakou teplotu udržovat

Chladicí kapalina pomáhá šetřit provozní náklady a odstraňuje problémy, které vznikají při použití čisté vody v systémech.

Jak funguje chladicí kapalina

Chladicí kapalina cirkuluje v uzavřeném systému místo vody. Při zahřívání v kotli akumuluje teplo a uvolňuje ho při pohybu potrubím a radiátory v prostorách. V systémech s nuceným oběhem se nemrznoucí směs pohybuje pomocí čerpadla, v systémech s přirozenou cirkulací – kvůli rozdílu v hustotě a hmotnosti horké a studené chladicí kapaliny.

Normální teplota chladicí kapaliny v systému

Požadavky na teplotu chladiva v topných systémech bytových domů, veřejných a průmyslových budov jsou stanoveny regulačními dokumenty: SP 60.13330.2012.

Maximální přípustná teplota v topném potrubí se pohybuje od 85 do 150 °C. Indikátor závisí na účelu budovy a prostoru, uspořádání topného systému a typu potrubí. Měří se teplota v přívodním potrubí tepla v místě dodání. Nachází se na hranici mezi vnější tepelnou sítí a vnitropodnikovou sítí. Chladivo v potrubí a radiátorech v budově je chladnější. Při napájení z topné nebo směšovací jednotky se její teplota pohybuje od 55 do 82 °C.

Požadovaná teplota chladicí kapaliny se určuje v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Teplotní harmonogram nebo schéma dodávky tepla je navrženo tak, aby stabilně vytápělo prostory na 18 °C a více a poskytovalo příjemné mikroklima.

Jaká by měla být teplota chladicí kapaliny v soukromém domě, rozhoduje majitel, který ji nezávisle upravuje s ohledem na klimatické podmínky a své vlastní preference. V průměru pro pohodlný pobyt stačí, aby kotel udržoval ohřev chladiva v rozmezí 60–70 °C v chladném počasí a 45–50 °C v hlavní části topné sezóny.

Jak vybrat chladicí kapalinu

Nemrznoucí směsi na bázi etylenglykolu a propylenglykolu se používají jako chladicí kapalina pro topné systémy. Tyto látky jsou si podobné fyzikálními vlastnostmi – teplotami začátku krystalizace a tuhnutí, tepelnou vodivostí, roztažností. Cena etylenglykolu je však nižší a propylenglykol je netoxický, proto je vhodnější pro obytné budovy, dětské a lékařské ústavy, protože není nebezpečný v případě úniku.

Při výběru nemrznoucí směsi je třeba věnovat pozornost koncentraci hlavní látky a balení přísady. Teplota krystalizace chladicí kapaliny závisí na koncentraci – čím více ethylenu nebo propylenglykolu ve vodném roztoku, tím nižší je bod tuhnutí. Balíček aditiv určuje antikorozní aktivitu nemrznoucí směsi a její životnost. Aditiva chrání vnitřní povrch potrubí a radiátorů před korozí, která zhoršuje přenos tepla a zvyšuje rychlost cirkulace chladicí kapaliny v systému.

U moderních nemrznoucích směsí stačí vypustit chladicí kapalinu jednou za 3–5 let. Častěji může být čištění systému nutné pouze v případě, že máte kotel na tuhá paliva, který se může přehřívat, což přispívá ke zničení aditiv.

Jak čerpat nemrznoucí kapalinu do systému

Chladicí kapalina se čerpá do topného systému otevřeného typu přes expanzní nádrž nebo odtokové potrubí umístěné v nejnižším bodě, ale v tomto případě bude muset být nemrznoucí kapalina dodávána pod tlakem. Chladicí kapalina je čerpána do uzavřeného systému přes doplňovací armaturu pomocí čerpadla.

Společnost Florestina prodává nemrznoucí směsi na bázi etylenglykolu a propylenglykolu. Prodáváme volně ložené chladicí kapaliny za konkurenceschopné ceny a nabízíme nádoby o hmotnosti od 10 do 210 kg.

Hygienické požadavky na topná zařízení a další prvky topných systémů nejsou o nic méně důležité než požadavky na jejich technické a provozní vlastnosti. Zejména se to týká omezení teploty vnějších povrchů topných zařízení, která je určena dvěma důležitými faktory:

• riziko suché sublimace a rozkladu organických frakcí prachu na zahřátém povrchu, obvykle v místech, kde se hromadí na topných zařízeních;
• riziko popálení při dotyku s horkým povrchem jakéhokoli prvku topného systému.

Pojďme se podívat na každé z uvedených rizik.

Nebezpečí sublimace a rozkladu prachu na zahřátém povrchu

Hygienické důsledky rozkladu prachu jsou hygieniky a specialisty v našem oboru podrobně studovány již delší dobu. Na začátku minulého století F. F. Erisman, který byl nazýván „průkopníkem hygieny v Rusku“ a jehož jméno nese Federální vědecké centrum hygieny, ve své „Stručné učebnici hygieny“ [1] napsal:

Organický prach, který se usadil na povrchu topného zařízení, hoří, tj. prochází procesem suché sublimace, při kterém vznikají různé plynné produkty nedokonalého spalování, které dodávají vzduchu velmi nepříjemný zápach. Organický prach začíná hořet při teplotě 70–80 °C. Příměs produktů suché destilace prachových částic do vzduchu je o to nepříjemnější, že kromě zápachu také dráždí sliznice úst, hltanu a krku.

Později, v práci [2], bylo uvedeno:

Studie organického prachu ukázaly, že rozklad a destilaci těkavých látek ovlivňuje jak doba ohřevu, tak teplota; již při 70 °C se z tohoto prachu začínají uvolňovat plynné produkty, které snadno oxidují a mají nepříjemný zápach.

Teplota topných ploch by neměla překročit 50–60 °C.

Klasici naší specializace, V. N. Bogoslovskij a A. S. Skanavi, také poukázali na to, že:

Rozklad a suchá sublimace prachu jsou doprovázeny uvolňováním škodlivých látek, zejména oxidu uhelnatého. Rozklad prachu na povrchu topných zařízení začíná již při teplotě 65–70 °C a intenzivně probíhá na povrchu s teplotou nad 80 °C [3].

Podle jiných výzkumníků při sublimaci a rozkladu prachu dochází ke spalování kyslíku, uvolňování oxidu uhelnatého, vysušování sliznice očí atd.

Prach jsou malé pevné částice organického nebo minerálního původu o velikosti do 0,1 mm, které vznikají jak v důsledku lidské činnosti v interiéru, tak i vnášené do místnosti venkovním vzduchem při větrání. Zahrnuje popel, škváru, vlákna, vlnu, vlasy, částice kůže a nehtů, piliny, drobky jídla, částice stavebních materiálů, půdu, úlomky hmyzu, částice rostlin, pyl, spory hub, krystaly cukru a soli atd. Mezi složky prachu patří mikročástice PM2,5 (částice o velikosti do 2,5 μm), které IARC (Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny) v roce 2014 zařadila mezi karcinogeny skupiny 1 s prokázanou schopností způsobovat rakovinu u lidí v důsledku hlubokého pronikání do plic.

Prachové částice bílkovin (sušené částice hmyzu, jejich výkaly, zbytky jídla, kožní šupinky, vlna a vlasy, pyl a plísňové spory) mohou být spouštěčem rozvoje alergických onemocnění – od vazomotorické rýmy až po bronchiální astma.

Významnou část složení prachu tvoří částice organického původu. Rozklad organické hmoty na konečné produkty – oxid uhličitý CO2, vodu a jednoduché minerální soli – probíhá za normálních podmínek a teplot. Když však teplota stoupne na 65-70 °C, tento proces se zrychlí, CO2 se nestihne vytvořit a vzniká CO, tj. oxid uhelnatý.

K výše uvedenému je třeba dodat, že situaci se škodlivými účinky rozkladu prachu dále zhoršuje skutečnost, že produkty rozkladu jsou aktivně unášeny po místnosti konvekčními proudy vzduchu z topných zařízení, dostávají se do dýchací zóny člověka a na otevřené plochy těla. Z výše uvedeného vyplývá, že pokud by požadavek na teplotu chladicí kapaliny v topných systémech byl omezen pouze hygienickými hledisky, měla by být stanovena na úrovni maximálně 70 °C, kdy uvolňování oxidu uhelnatého a dalších škodlivých plynných produktů z organického prachu není tak intenzivní.

Nebezpečí popálení při dotyku horkého povrchu

Obr. 1. Závislost teplotního limitu prahu popálení na době kontaktu kůže s horkým povrchem (dle údajů z [4]):
a) schematický diagram: A – oblast bez popálení; B – oblast prahu popálení;
B — plocha popálení; 1 — křivka dolní hranice prahových teplot popálení; 2 — křivka horní hranice prahových teplot popálení;
b) křivky dolní hranice prahových teplot hoření pro různé typy horkých povrchů: 1 – hladký kov bez povlaku; 2 – hladký kov s povlakem
prášková barva; 3 – hladký kov s nátěrem emailové barvy; 4 – hladký
plastový povrch.

Souhrn výsledků studií numerických hodnot teplotních prahů popálenin při kontaktu exponovaného povrchu lidské kůže s horkým povrchem strojů, nástrojů a podobných zařízení je dostatečně podrobně uveden v práci [4].

Vědci definují práh popálení jako teplotní hranici mezi žádným popálením a povrchovým lokálním popálením, které vede k regenerovatelnému poškození kůže. V této fázi poškození je epidermis zcela zničena, ale vlasové folikuly, mazové žlázy a potní žlázy zůstávají zachovány.

Riziko popálení bylo posouzeno porovnáním teploty zahřátého povrchu, kterého se lze dotknout, s údaji definujícími oblast prahu popálení (obr. 1a).

Změny teploty spodní hranice oblasti prahu popálení v čase při kontaktu kůže s hladkým horkým povrchem jsou znázorněny na obr. 1b pro:

• nepotažený kov, který je typický pro povrch uzavíracích a regulačních ventilů v topném systému;
• kov s práškovým lakováním, což je typické pro povrch moderních topných zařízení;
• kov se smaltovaným povlakem, který je typický pro povrch lakovaných stoupacích trubek a připojení k topným zařízením ve vertikálním topném systému;
• plasty, což je typické pro povrch polymerních trubek topných systémů.

Dle [4] je minimální doba neúmyslného kontaktu, která není způsobena technologickou nebo provozní nutností, 1 s. V případě pomalé reakce starších nebo nekompetentních osob při kontaktu s horkým povrchem ve stísněných výrobních podmínkách se doba kontaktu uvažuje jako 4 s. V bytových domech, dětských ústavech atd., kde se nacházejí starší osoby i děti, by se pravděpodobná doba neúmyslného kontaktu měla brát o něco delší než minimální (>1 s), ale ne více než 4 s.

Teploty výše uvedených zahřátých povrchů, odpovídající spodní hranici prahu popálení (začátek opravitelné léze) při neúmyslném kontaktu lidské kůže s horkým povrchem, v závislosti na době kontaktu, jsou uvedeny v tabulce 1.

Tloušťka povrchové vrstvy většiny typů moderních domácích topných zařízení a potrubí topných systémů je podle výsledků měření provedených autory poněkud větší než ta uvedená v tabulce 1 a pohybuje se okolo 120–180 μm u topných zařízení a až 250 μm u lakovaných potrubí. V důsledku toho lze údaje o teplotách spodní hranice prahu hoření pro topná zařízení a lakovaná potrubí uvedené v tabulce 1 zvýšit o 5–10 °C v závislosti na době kontaktu.

S ohledem na výše uvedené, aby se zabránilo riziku popálení, neměla by povrchová teplota topných zařízení v nejteplejší zóně (obvykle horní rozdělovač chladiče v oblasti vstupu chladicí kapaliny do topného zařízení) v uvedeném rozsahu pravděpodobné doby neúmyslného kontaktu překročit 70–75 °C. Obdobné požadavky platí i pro ostatní kovové neizolované prvky topných systémů s povlakem nebo bez něj. Povrchová teplota neizolovaných plastových potrubí otevřené instalace by s ohledem na prevenci rizika popálení neměla překročit 75–80 °C.

Povrchový materiál	Materiál a typ povlaku	Tloušťka povlaku, mikrony	Dolní hranice prahu hoření (°C) při době kontaktu (s)
			1	2	3	4
kov	bez krytu	–	65	62	60	58
	práškově lakované	60-90	70	65	62	61
	s nátěrem smaltované barvy	100-160	74	68	65	63
Umělá hmota	bez krytu	–	86	79	76	74

Tabulka 1
Teploty horkých povrchů odpovídající spodní hranici prahu hoření v rozsahu změny doby kontaktu 1–4 s (dle údajů z [4])

Analýza regulačních požadavků s ohledem na doporučení hygieniků

Jak ukázala analýza, teploty ohřívaného povrchu topných zařízení a dalších prvků topných systémů, které zajišťují prevenci jak rizika sublimace prachu, tak rizika popálenin, jsou si poměrně blízké a v závislosti na materiálu horkého povrchu, materiálu a tloušťce povlaku a době kontaktu kůže s horkým povrchem se pohybují v rozmezí 70–75 °C.

Uvedené teploty jsou vědecky podloženy a potvrzeny výsledky dlouholetého hygienického výzkumu předních specialistů.

V regulačním rámci pro naši specializaci však požadavky na maximální teploty otevřených, neizolovaných povrchů topných těles a na teplotu chladicí kapaliny pro místnosti různého účelu překračují, až na některé výjimky, teploty doporučené hygieniky.

To je ilustrováno zejména v tabulce 2, která v mírně zkrácené verzi, založené na údajích z SP 60.13330 [5], odstavce 6.1.4 a 6.1.15 a dodatku B, uvádí maximální přípustné hodnoty teplot chladicí kapaliny nebo horkých povrchů pro různé typy topných systémů a prostor pro různé účely.

Zkušenosti ukazují, že tyto maximální teploty se obvykle používají při návrhu topných systémů, a to i přes ustanovení „ne více než“, protože za jinak stejných podmínek náklady na topný systém klesají se zvyšující se vypočítanou teplotou chladicí kapaliny.

Účel prostor	Teplota, ne více než, °C
	Typ topného systému 1
	Voda		Elektrické
	Materiály potrubí
	plastický	kov	Povrchová teplota
	Teplota nosiče tepla
Obytné, domácí, veřejné, administrativní a další neuvedené v tabulce	90	95 / 105 2	90
Oddělení a operační sály	85	85	70
Předškolní a vzdělávací	90	70	70
Výroba a sklad	–	115	–

Tabulka 2
Maximální normalizované teploty chladicí kapaliny nebo povrchu topných těles (dle [5])

Poznámka:
1 Podle [5], dodatku B, se při použití parních topných systémů (pokud je to vhodné) teplota chladicí kapaliny bere na maximálně 130 °C.
2 Tamtéž. – u dvoutrubkových topných systémů není teplota chladicí kapaliny vyšší než 95 °C, u jednotrubkovýchguma – ne více než 105 °C.

Podobné požadavky na teplotu chladicí kapaliny, obvykle ve formě odkazů na SP60.13330, jsou uvedeny i v dalších regulačních dokumentech o návrhu a provozu vnitřních systémů zásobování teplem a vytápění. To vše je však v rozporu nejen s výše uvedenými výsledky studií hygieniků, ale i se současným legislativním a regulačním rámcem.

Zejména článek 30 odstavec 9 federálního zákona č. 384-FZ „Technické předpisy o bezpečnosti budov a staveb“ uvádí:

„Aby se zabránilo popáleninám při používání prvků inženýrských sítí nebo inženýrských systémů, musí projektová dokumentace stanovit: 1) omezení povrchové teploty přístupných částí topných zařízení a potrubí pro přívod tepla nebo instalaci plotů, které zabrání kontaktu osob s těmito částmi.“

Tento požadavek zákona nelze splnit při návrhových teplotách chladiva ani teplotě otevřené topné plochy uvedené v [5] (s výjimkou určitých případů).

Je třeba poznamenat, že uvedený zákon stanoví požadavky pouze na prevenci rizika popálenin. Neexistují žádné požadavky na prevenci rizika škodlivých účinků sublimace prachu při zvýšených teplotách povrchu prvků inženýrských systémů.

Pro většinu typů prostor neodpovídají požadavky normy SP 60.13330 na maximální teploty současným, specializovaným požadavkům pro naši.
specializace SanPiN 2.1.3684-21 „Hygienické a epidemiologické požadavky na obytné prostory“ [6], jehož odstavec 128 uvádí:

„Povrchová teplota topných zařízení v systému ohřevu vody by neměla překročit 80 °C.“

Je pravda, že tato norma také specifikuje povrchovou teplotu topných zařízení, která je o něco vyšší, než doporučují hygienici.

Návrhy na úpravu regulační dokumentace

V souvislosti s výše uvedeným se navrhuje zejména provést následující úpravy regulační dokumentace. V SP 60.13330 [5]:

• Článek 6.1.14 se mění a zní takto: „Teplota chladicí kapaliny pro vnitřní zásobování teplem a vytápění nově postavených budov pro prostory všeobecného použití by neměla být vyšší než 80 °C a pro jednotlivé prostory a systémy uvedené v dodatku B by měla být teplota chladicí kapaliny nebo povrchu topných zařízení a potrubí nejvýše 70 °C.“
• Článek 6.1.15 se mění a zní takto: „V systémech vnitřního zásobování teplem a vytápění s potrubím z polymerních materiálů nesmí být parametry chladiva (teplota, tlak) vyšší než 80 °C a 1,0 MPa a také nesmí překročit přípustné hodnoty pro stanovenou třídu provozu trubek a tvarovek podle GOST 32415.“

Komentáře

• Při stanovené teplotě chladicí kapaliny (80 °C), s přihlédnutím k tepelnému odporu stěny a ochlazení chladicí kapaliny v průměru o 3–5 °C, se povrchová teplota topných zařízení prakticky přiblíží hygieniky doporučeným 75 °C.
• Podobné úpravy teploty musí být provedeny v odpovídajících položkách dodatku B normy SP 60.13330.

V SanPiN 2.1.3684-21 [6] se odstavec 128 uvádí takto: „Teplota povrchu
Topná zařízení a potrubí pro přívod tepla nesmí překročit:

• s ohřevem vody – 75 °C;
• s elektrickým topným systémem – 70 °C pro prostory předškolních zařízení, vzdělávacích zařízení a zdravotnických zařízení v nemocnicích.

Je zřejmé, že navrhované snížení teploty chladicí kapaliny v systému ohřevu vody, tj. přechod z aktuálně akceptované konstrukční teplotní výšky 62,5 °C [(95+70)/2-20] na výšku 50 °C [(80+60)/2-20], povede k určitému zvýšení nákladů (přibližně o 15-20 %) na topné systémy. Vzhledem k tomu, že průměrný podíl kapitálových nákladů na topný systém na celkových nákladech na výstavbu budovy podle různých odhadů nepřesahuje 7-10 %, zvýšení stavebních nákladů nebude větší než 1-2 %.

Zároveň přechod v návrhu a konstrukci na nižší, hygienicky odůvodněné teploty chladicí kapaliny v topných systémech, a navíc eliminace rizika popálenin
a škodlivé účinky důsledků tepelné sublimace organických složek prachu umožní:

• snížit opotřebení všech prvků topného systému;
• snížit neproduktivní tepelné ztráty;
• snížit riziko vážných následků v případě nehody v topném systému;
• zlepšit přesnost výsledků testů topných zařízení;
• eliminovat problém s přehřátím vratné chladicí kapaliny;
• odstranit veškerá omezení týkající se používání polymerových trubek;
• eliminovat potřebu používat ochranné ploty;
• snížit dynamiku usazování vodního kamene v topných systémech

Literatura

1. Erisman F. F. Stručná učebnice hygieny. 2. vydání. 1903.
2. Bunimovich S. D. Hygienické posouzení topného systému inženýra V. A. Yakhimoviče // Hygiena a sanitace. – 1937. – č. 5.
3. Bogoslovskij V. N., Skanavi A. N. Vytápění. Studijní příručka pro vysoké školy. Moskva: Strojizdat, 1991.
4. GOST 51337-99 „Bezpečnost strojů. Teplota dotýkaných povrchů. Ergonomické údaje pro stanovení mezních hodnot horkých povrchů“.
5. SP 60.13330.2020 „Vytápění, větrání, klimatizace“.
6. SanPiN 1.2.3685-21 „Hygienické normy a požadavky pro zajištění bezpečnosti a (nebo) neškodnosti faktorů životního prostředí pro člověka.“