Woda grzewcza a trwałość instalacji – jak zapobiegać kamieniowi i korozji?

Woda grzewcza, którą napełniany jest system grzewczy, powinna spełniać określone parametry. Jej zła jakość prowadzi do problemów eksploatacyjnych urządzeń i elementów instalacji. Jednym z najważniejszych wskaźników jakości wody grzewczej jest twardość, sprzyjająca powstawaniu kamienia kotłowego. Istotne są także odczyn pH, przewodność oraz stężenie tlenu.

Spis treści

1. Korozja i kamień kotłowy w instalacjach grzewczych
2. Woda grzewcza – normy i wytyczne branżowe
3. Skutki złej jakości wody grzewczej 
4. Metody uzdatniania wody grzewczej 
5. Inne sposoby ochrony przed kamieniem kotłowym

Korozja i kamień kotłowy w instalacjach grzewczych

Zgodnie z normami dotyczącymi wody grzewczej, twardość wody stanowi jeden z najważniejszych wskaźników jej jakości, który istotnie wpływa na różne aspekty techniczne. Twardość ogólną definiuje się jako sumę całkowitej zawartości jonów wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺). Wyrażana jest na różne sposoby, na przykład w miligramach węglanu wapnia na litr (mg CaCO₃/dm³). W Europie popularną jednostką są także stopnie niemieckie (°dH), gdzie 1°dH odpowiada 10 mg CaO (tlenku wapnia) na litr wody.

Zbyt twarda woda w instalacjach grzewczych prowadzi do wytrącania się osadów kamiennych, które stopniowo gromadzą się na wewnętrznych ściankach rur oraz na elementach urządzeń grzewczych. Jest to tzw. kamień kotłowy, którego głównym składnikiem są węglany wapnia CaCO₃ i węglany magnezu MgCO₃, a w mniejszym stopniu także siarczany wapnia CaSO₄, wodorotlenek żelaza Fe(OH)₃, krzemionka SiO₂. Kamień kotłowy osadza się w miejscach o wyższej temperaturze (np. wymienniki ciepła). 

Niekorzystne działanie dla instalacji grzewczych może mieć również zbyt miękka woda grzewcza, która ma podwyższone właściwości korozyjne i nie tworzy ochronnej warstwy mineralnej na powierzchniach rur. Jej niskie pH oraz zdolność do rozpuszczania tlenu i dwutlenku węgla przyspieszają proces utleniania metali, co prowadzi do korozji elektrochemicznej. W skrajnych przypadkach, w całkowicie zdemineralizowanej wodzie może dojść do korozji niszczącej elementy instalacji. Na stopień i szybkość korozji elektrochemicznej wpływa odczyn pH, przewodność i stężenie tlenu rozpuszczonego w wodzie. 

W instalacjach grzewczych elementy stalowe są też narażone na inne typy korozji. Zawartość tlenu w wodzie sprzyja korozji tlenowej, czyli wytrącaniu się hematytu Fe₂O₃ lub magnetytu Fe₃O₄. Innym przykładem jest korozja bimetaliczna (kontaktowa), która powstaje w wyniku połączenia materiałów o znacznie różniących się potencjałach elektrochemicznych (np. miedź i aluminium) w wodzie o wysokiej przewodności. 

Woda grzewcza – normy i wytyczne branżowe

Kwestie jakości wody grzewczej w instalacjach określają poniższe normy: 

• PN-EN 14868 „Ochrona materiałów metalowych przed korozją. Wytyczne do oceny ryzyka wystąpienia korozji w zamkniętych systemach obiegu wody”;
• PN-EN 12952 „Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze”;
• PN-93/C-04607: norma została wycofana, ale wciąż można spotkać się z jej praktycznym stosowaniem, zwłaszcza w odniesieniu do starszych instalacji. 

Dopuszczalne parametry wody grzewczej w systemie grzewczym oraz metody ochrony instalacji powinny być wyszczególnione w dokumentacji technicznej źródła ciepła. Jeśli woda w danej lokalizacji ma nieodpowiednią twardość, należy wdrożyć stosowne technologie uzdatniania wody, aby dostosować ją do wymagań branżowych. Generalnie woda grzewcza i uzupełniająca nie powinny sprzyjać wytrącaniu się kamienia kotłowego i tworzeniu się korozji oraz powinny mieć zredukowaną zawartość tlenu. 

Większość producentów urządzeń grzewczych (zarówno w Polsce i w innych krajach) w swoich wymaganiach technicznych opiera się głównie na VDI 2035. Są to wytyczne stowarzyszenia niemieckich inżynierów VDI (Verein Deutscher Ingenieure). Instalacji grzewczych dotyczą arkusze: 

• 1: „Unikanie uszkodzeń w instalacjach c.w.u. oraz grzewczych – osadzanie się kamienia w instalacjach podgrzewania wody pitnej i ciepłej wody użytkowej”;
• 2: “Unikanie uszkodzeń w instalacjach c.w.u. oraz grzewczych – korozja po stronie wodnej”.

Kryteria wody grzewczej określone w VDI 2035 obejmują m.in. zalecenia dotyczące twardości całkowitej wody w zależności od mocy grzewczej źródła ciepła, typowe wartości przewodności elektrycznej, zalecane wartości pH i zakresów pasywności pH różnych metali. 

Skutki złej jakości wody grzewczej 

Nieodpowiednia jakość wody grzewczej w instalacjach grzewczych (zwłaszcza zbyt twarda woda) prowadzi do szeregu problemów, które mają bezpośredni wpływ na użytkowników. Oto, do jakich konsekwencji prowadzi złej jakości woda kotłowa:

• Obniżenie efektywności energetycznej systemu: woda o zbyt wysokiej twardości powoduje odkładanie się kamienia kotłowego na wymiennikach ciepła, w kotłach, pompach i rurach systemu grzewczego. Osady wapniowe i magnezowe zmniejszają średnicę rur, co wpływa na warunki hydrauliczne – powoduje spadek natężenia przepływu oraz wzrost strat ciśnienia. Kamień kotłowy w wymiennikach działa jak izolator i uniemożliwia skuteczną wymianę ciepła. Szacuje się, że warstwa kamienia kotłowego o grubości 3 mm zmniejsza efektywność wymiany ciepła aż o 20%. W rezultacie urządzenia grzewcze muszą pracować dłużej i przy wyższych temperaturach, aby dostarczyć odpowiednią ilość energii cieplnej.
• Wzrost kosztów ogrzewania: wyższe zużycie paliwa prowadzi do wyższych rachunków za ogrzewanie; wydłużenie pracy urządzeń grzewczych generuje z kolei dodatkowe koszty eksploatacyjne.
• Przyspieszone zużycie urządzeń, częste awarie: osad kamienny odkładający się na urządzeniach i elementach instalacji skutkuje ich przedwczesnych zużyciem. Nieodpowiednia jakość wody grzewczej sprzyja powstawaniu korozji, co prowadzi np. do przecieków w rurach i zaworach. W dłuższej perspektywie kamień kotłowy powoduje np. lokalne przegrzanie się wymienników ciepła, a w konsekwencji poważne awarie – np. uszkodzenie wymienników ciepła czy pęknięcie rur. Częstsze naprawy i wymiany komponentów instalacji wiążą się z kosztami oraz przestojami w ogrzewaniu. 
• Zwiększone koszty serwisowania i konserwacji: niska jakość wody grzewczej oznacza regularne serwisowanie systemu, w tym usuwanie kamienia kotłowego oraz częstą wymianę elementów instalacji. Obowiązki wynikające z czyszczenia i usuwania osadów, a także kontrolowanie stanu instalacji to z kolei dodatkowe koszty. 
• Pogorszenie komfortu cieplnego: osady kamienne mogą powodować nierównomierne rozprowadzanie ciepła w instalacji grzewczej. System grzewczy nie działa wówczas efektywnie, a różnice temperatur w pomieszczeniach przyczyniają się do zmniejszenia komfortu cieplnego. Podobny efekt wywołują usterki i konieczność oczekiwania na ich naprawę.
• Koszty związane z uzdatnianiem wody: specjalne systemy uzdatniania wody grzewczej częściowo rozwiązują problem osadów, ale wiążą się z dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. 

Metody uzdatniania wody grzewczej 

Zmiękczanie 

Zmiękczanie wody w instalacjach grzewczych to proces polegający na usunięciu z wody jonów wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺), (związki te w głównej mierze przyczyniają się do powstawania kamienia kotłowego). Następnie są one zastępowane jonami sodu (Na+). Całkowite usunięcie jonów osadotwórczych nazywa się zmiękczaniem całkowitym. W zmiękczaniu częściowym stosuje się dodatek wody surowej. Proces zmiękczania nie jest zalecany w przypadku źródeł ciepła z aluminium i jego stopów. Może bowiem zwiększać ryzyko korozji i osłabiać powierzchnię tych materiałów. 

Demineralizacja 

Demineralizacja wody grzewczej to proces uzdatniania mający na celu usunięcie z wody wszystkich jonów powodujących twardość i korozję, takich jak wapń (Ca²⁺), magnez (Mg²⁺), czy chlor (Cl–). Wyróżnia się następujące metody demineralizacji:

• wymiana jonowa: w tej metodzie woda przepływa przez złoża jonowymienne, które usuwają z niej wszystkie jony soli mineralnych i zanieczyszczeń korozyjnych;
• odwrócona osmoza: proces polegający na zastosowaniu membrany półprzepuszczalnej, która zatrzymuje sole mineralne i inne niepożądane związki chemiczne w wodzie.

Woda zdemineralizowana powinna mieć przewodność ≤ 10 μS/cm. Po napełnieniu instalacji, w ciągu pierwszych 2-3 tygodni, przewodność może wzrosnąć z powodu wyłapywania związków z instalacji, ale ostatecznie nie powinna przekraczać 100 μS/cm. Zaleca się więc regularne monitorowanie jej parametrów, zwłaszcza jej przewodności elektrycznej. Jeśli po około miesiącu od napełnienia przewodność wody przekracza 100 μS/cm, może to wskazywać na obecność zanieczyszczeń lub osadów w systemie. W takim przypadku konieczne może być ponowne płukanie instalacji. Jeśli nie ma możliwości przeprowadzenia demineralizacji na miejscu, można zakupić wodę zdemineralizowaną od przedsiębiorstw ciepłowniczych lub zakładów przemysłowych dysponujących urządzeniami do odwróconej osmozy.

Inhibitory korozji

Inhibitory korozji to substancje chemiczne, które ograniczają procesy korozyjne, tworząc na powierzchni metalu warstwę ochronną. Dzielą się one na kilka typów:

• inhibitory anodowe – działają poprzez tworzenie na powierzchni metalu ochronnej warstwy pasywacyjnej, składającej się z tlenków, co zapobiega dalszej korozji;
• inhibitory katodowe – ich działanie polega na wytrącaniu substancji korozyjnych w postaci nierozpuszczalnych osadów, które blokują rozwój korozji;
• inhibitory mieszane – łączą cechy obu powyższych grup, zapewniając kompleksową ochronę instalacji.

Stosowanie inhibitorów jest szczególnie zalecane w nowych i czystych instalacjach, które nie mają jeszcze osadów kamienia kotłowego ani rozwiniętych ognisk korozji. W przypadku starszych systemów, w których już występują złogi i korozja, nieprawidłowo dobrane inhibitory mogą prowadzić do oderwania osadów i pogorszenia stanu instalacji.

Preparaty przeciwzamrożeniowe

W instalacjach narażonych na działanie niskich temperatur stosuje się płyny przeciwzamrożeniowe, zazwyczaj oparte na glikolu etylenowym lub propylenowym z dodatkiem inhibitorów korozji. Chronią one wodę grzewczą przed zamarzaniem oraz zabezpieczają metalowe elementy instalacji przed korozją. Preparaty przeciwzamrożeniowe nie zastępują procesów uzdatniania wody, ale mogą je uzupełniać w specyficznych warunkach. Ich stosowanie wymaga zgodności z zaleceniami producenta oraz kontroli parametrów fizykochemicznych, ponieważ nieprawidłowe dobranie roztworu może prowadzić do problemów z korozją i efektywnością wymiany ciepła.

Inne sposoby ochrony przed kamieniem kotłowym

Oprócz uzdatniania wody grzewczej poprzez zmiękczanie, demineralizację i stosowanie inhibitorów korozji, istnieją inne sposoby ograniczania powstawania kamienia kotłowego w instalacjach grzewczych. 

Metoda polegająca na oddziaływaniu pola magnetycznego na jony metali wykorzystuje tzw. magnetyzery, które są urządzeniami montowanymi na rurach, zawierającymi magnesy stałe. Pole magnetyczne powoduje naładowanie cząsteczek wody, przyciągając jony wapnia (Ca²⁺), magnezu (Mg²⁺), żelaza (Fe²⁺) oraz manganu (Mn²⁺). Dzięki temu, jony te mogą być wypłukiwane z już istniejących osadów kamienia i zmniejsza się ich zdolność do tworzenia nowych złogów. Skuteczność magnetyzerów zależy od składu wody i warunków instalacji, jednak ich efektywność bywa ograniczona w dużych systemach grzewczych.

Aby zapewnić odpowiednią jakość wody grzewczej, niezbędne jest usuwanie zawiesin, które mogą prowadzić do uszkodzenia elementów instalacji. W tym celu stosuje się filtry siatkowe, i separatory zanieczyszczeń z magnesami neodymowymi. Filtry siatkowe stosowane są do zatrzymywania większych zanieczyszczeń mechanicznych. Separatory zanieczyszczeń natomiast usuwają drobniejsze cząsteczki piasku i produkty korozji. Do usuwania zanieczyszczeń ferromagnetycznych wykorzystywane są magnesy neodymowe. Z kolei w małych instalacjach, takich jak systemy grzewcze w domach, szczególnie przydają się kompaktowe urządzenia filtracyjne. Są estetyczne, łatwe w montażu i obsłudze, a także nie wymagają dużej przestrzeni montażowej.

Metody chemiczne poprawiające jakość wody grzewczej obejmują dekarbonizację, strącanie fosforanów i stosowanie gotowych preparatów hamujących tworzenie się osadów. Dekarbonizacja polega na usunięciu węglanów wapnia i magnezu poprzez dodatek wapna, co zapobiega osadzaniu się kamienia kotłowego. Strącanie fosforanów wykorzystuje fosforany, które reagują z jonami wapnia (Ca²⁺)  i magnezu (Mg²⁺), tworząc nierozpuszczalne osady, które są następnie usuwane, zmniejszając ryzyko powstawania kamienia. Gotowe preparaty łączą te metody, utrzymując odpowiednią jakość wody grzewczej w instalacji grzewczej.

Murowane starcie

Ogrzewanie – podłogowe czy grzejniki? MUROWANE STARCIE

Oprócz wyżej wymienionych sposobów konieczne jest regularne dbanie o instalację. Należy przeprowadzać cykliczne płukanie systemu, usuwać osady przed napełnieniem nową wodą oraz monitorować parametry takie jak przewodność, pH czy twardość wody. Ważne są także okresowe przeglądy techniczne urządzeń i elementów instalacji, kontrola temperatury wody i unikanie jej przegrzewania. 

• Zobacz: Ekologiczne budynki biurowe i mixed-use z certyfikatem BREEAM

Zobacz galerię 30 zdjęć

Autor: materiały prasowe Karimpol

Korzystając z energii OZE biurowiec, a tym samym jego użytkownicy, generują mniejszy ślad węglowy, co redukuje emisję zanieczyszczeń i ilość wytwarzanych odpadów.