Jednym z popularniejszych sposobów przygotowania ciepłej wody użytkowej na bieżące potrzeby w budynkach mieszkalnych jest zastosowanie gazowego, przepływowego ogrzewacza wody. Zasada działania tych urządzeń nie zmienia się od lat, jednak najnowsze konstrukcje tego typu oferują wysoki komfort eksploatacji, pełne bezpieczeństwo użytkowania, automatyzację działania i w końcu możliwość pozyskania c.w.u. niezbyt wysokim kosztem.

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej w domu mieszkalnym wymaga dostarczenia niemałych ilości energii. Aby spowodować wzrost temperatury o jeden stopień Celsjusza należy dostarczyć ponad 4 kJ na każdy dm³ wody. Oznacza to, że podgrzanie strumienia wody niezbędnego do zasilenia typowej łazienki (8-10 dm³/min, umywalka + natrysk lub wanna), od temperatury 10^oC do 40^oC wymaga podgrzewacza o mocy około 20 kW. Ogrzewanie wody można realizować w urządzeniach zbiornikowych, które utrzymują magazynowaną wodę w stałej temperaturze i nie wymagają tak dużych mocy chwilowych, jak i w podgrzewaczach przepływowych – uruchamianych tylko wtedy, gdy występuje pobór ciepłej wody. Te ostatnie maja jednak tę zaletę, że zużywają energię tylko wtedy, gdy ciepła woda jest pobierana, a przy tym jej ilość nie jest ograniczona pojemnością zasobnika ciepłej wody. W zależności od spodziewanego zapotrzebowania na ciepłą wodę, w budynkach mieszkalnych najczęściej montuje się podgrzewacze przepływowe o nominalnych mocach od 17 do 30 kW.

Wnętrze gazowego ogrzewacza przepływowego AquaHeat electronic firmy Termet – z otwartą komorą spalania

Przepływowe ogrzewacze wody

Sprawność współczesnych gazowych przepływowych podgrzewaczy wody dochodzi do 90%. Średnioroczna sprawność jest wyższa o 20% od podgrzewaczy pojemnościowych (np. kotłów c.o. z zasobnikiem ciepłej wody utrzymywanej w stałej temperaturze). W porównaniu z tymi ostatnimi podgrzewacze przepływowe mają jednak pewne wady obniżające komfort korzystania z ciepłej wody:
• podgrzewacz włącza się, jeśli pobór ciepłej wody przekroczy pewien minimalny poziom (przynajmniej około 2-3 dm³/min), przy czym często występuje pewna histereza objawiająca się tym, że zapalenie palnika następuje przy nieco wyższym minimalnym przepływie wody niż przepływ, przy którym podgrzewacz się wyłącza;
• czas oczekiwania na ciepłą wodę wynosi od kilku do kilkunastu sekund (zależy od czasu potrzebnego na uruchomienie podgrzewacza i zapalenia płomienia, prędkości liniowej wody w przewodzie i odległości miejsca jej poboru od podgrzewacza).
Przepływowe podgrzewacze wody zasilane energią elektryczną są bardzo wygodne, lecz wymagają specjalnego przyłącza trójfazowego. Podgrzewacze, które wykorzystują ciepło spalania paliwa – najczęściej gazu ziemnego lub skroplonego propanu i butanu – są bardziej kłopotliwe z powodu konieczności zapewnienia odpowiedniej wentylacji pomieszczenia, w którym są zainstalowane, oraz doprowadzenia gazu i odprowadzenia spalin. Jednak są one tańsze w eksploatacji, gdyż cena jednostki energii uzyskiwanej z takiego nośnika jest znacznie niższa od ceny energii elektrycznej. Jest to podstawowy powód, dla którego gazowe podgrzewacze wody cieszą się dużą popularnością w mieszkaniach, budynkach mieszkalnych jednorodzinnych, a także wielorodzinnych. Niektórzy producenci przystosowują swoje urządzenia do współpracy z panelami słonecznymi w instalacjach wykorzystujących energię promieniowania słonecznego do podgrzewania wody użytkowej, co pozwala na jeszcze większe oszczędności.

Budowa i zasada działania

W typowym podgrzewaczu gazowym woda ogrzewa się przepływając przez wymiennik ciepła (nagrzewnicę), który jest zamontowany nad palnikiem gazowym – otaczając komorę spalania. Dopływ gazu do palnika jest uruchamiany, gdy czujnik przepływu wody – najczęściej zwężka Venturiego – zamontowany na króćcu wlotowym spowoduje otwarcie zaworu odcinającego dopływ gazu. Strumień gazu miesza się w palniku w odpowiedniej proporcji z powietrzem i jest natychmiast zapalany przez płomień pilotowy (dyżurny) lub wyładowanie elektryczne wytwarzane przez układ zapłonowy. Układ ten może być zasilany z baterii lub, w nowszych modelach, z tzw. hydrogeneratora, czyli prądnicy napędzanej turbiną wodną uruchamianą strumieniem wody dopływającym do podgrzewacza. Strumień gazu zasilający palnik jest regulowany w zależności od natężenia przepływu wody. Tańsze modele zapewniają jedynie ręczną kontrolę mocy grzewczej. W nowszych modelach podgrzewaczy montowane są elektroniczne układy modulujące moc w zakresie 25-100% (poprzez płynną regulację przepływu gazu), które pozwalają na utrzymywanie stałej temperatury wody (regulowanej w typowym zakresie 35-60^oC) opuszczającej wymiennik ciepła, niezależnie od zmian natężenia jej przepływu.

Schemat budowy ogrzewacza przepływowego Ceasar 14 Star z zamkniętą komorą spalania
(rys. Immergas):
1 – komora zamknięta,
2 – wentylator,
3 – wymiennik c.w.u.,
4 – elektroda zapłonu / kontroli,
5 – zawór gazu,
6 – termostat przegrzania,
7 – presostat powietrza,
8 – termostat bezpieczeństwa,
9 – ogranicznik przepływu,
10 – zawór bezpieczeństwa 10 bar z zaworem zwrotnym,
11 – czujnik przepływu,
12 – czopuch,
13 – komora spalania,
14 – palnik,
15 – sonda NTC,
16 – zawór odcinający wody ciepłej

Komora spalania
Obecnie spotyka się dwa typy podgrzewaczy różniące się budową komory spalania i sposobem doprowadzenia powietrza i odprowadzenia spalin.
Podgrzewacze z tzw. otwartą komorą spalania pobierają powietrze niezbędne do spalania z pomieszczenia, w którym są zamontowane. Natomiast spaliny schłodzone przez wymiennik ciepła do temperatury około 180^oC, odprowadzane są grawitacyjnie do przewodu kominowego.
W modelach z tzw. zamkniętą komorą spalania, dopływ powietrza z zewnątrz i odpływ spalin przewodami powietrzno-spalinowymi jest wymuszany specjalnym wentylatorem. Rozwiązanie takie pozwala na całkowite uszczelnienie podgrzewacza i uniezależnienie od ciągu kominowego, a przez to zmniejszenie niebezpieczeństwa uwolnienia szkodliwych produktów spalania (np. tlenku węgla) do pomieszczenia, w przypadku zaniku ciągu lub dopływu niedostatecznej ilości tlenu. Tego typu podgrzewacze charakteryzują się także większą sprawnością wymiany ciepła (spaliny są chłodniejsze, gdyż naturalny ciąg nie jest konieczny) i można je montować w pomieszczeniu pozbawionym przewodów kominowych.

Bezpieczeństwo użytkowania

Pomimo, iż podstawowe elementy i zasada działania współczesnych gazowych podgrzewaczy przepływowych są podobne jak w urządzeniach produkowanych dawniej, to obecne wyposażenie w udoskonalone układy automatyki oraz zabezpieczeń podniosło znacznie ich bezpieczeństwo i komfort używania. Stosowane obecnie typowe, montowane fabrycznie zabezpieczenia podgrzewacza to przede wszystkim:
• zabezpieczenie przed wypływem gazu w przypadku zaniku płomienia (termopara lub elektroda jonizacyjna sygnalizująca gaśnięcie płomienia pilotowego lub płomienia palnika głównego – zamyka zawór gazowy i zapobiega wypływowi niespalonego gazu z palnika),
• czujnik ciągu kominowego (układ kontroli spalin, czujnik temperatury umieszczony w pobliżu przerywacza ciągu) wyłączający podgrzewacz przez odcięcie dopływu gazu w przypadku niewydolnej instalacji kominowej – zapobiega wypływowi spalin do pomieszczenia i niepełnemu spalaniu, co mogłoby prowadzić do wzrostu stężenia tlenku węgla w pomieszczeniu,
• ogranicznik temperatury zamontowany na ścianie wymiennika ciepła, odcinający dopływ gazu w przypadku przekroczenia jego dopuszczalnej temperatury (zwykle 80-85^oC) – nie dopuszcza do wrzenia ogrzewanej wody (niebezpieczeństwo niekontrolowanego wzrostu ciśnienia) i zapobiega przegrzaniu się i spaleniu nagrzewnicy w przypadku zakłóceń przepływu wody.
Podgrzewacze z zamkniętą komorą spalania wyposażone są w czujnik monitorujący różnicę ciśnienia na dopływie powietrza i odpływie spalin, który odcina dopływ gazu w przypadku jakichkolwiek zakłóceń przepływu w przewodach powietrzno-spalinowych.

Wnętrze gazowego ogrzewacza przepływowego AquaComfort turbo firmy Termet – z zamkniętą komorą spalania

Warunki instalacji

Podgrzewacze gazowe należy instalować przy zachowaniu przepisów zawartych w:
• Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. 2002 r., Nr 75, poz. 690) z późniejszymi zmianami,
• Polskich Normach,
• zgodnie z zaleceniami zawartymi w instrukcji obsługi danego urządzenia.
Podgrzewacze
z otwartą komorą spalania
Należy pamiętać, iż podgrzewacze atmosferyczne (z otwartą komorą spalania) można instalować w pomieszczeniu o kubaturze co najmniej 8 m³ i wysokości przynajmniej 2,2 m, zapewniającym możliwość odprowadzenia spalin do indywidualnego kanału spalinowego z naturalnym ciągiem. Pomieszczenie to musi ponadto posiadać sprawną wentylację nawiewno-wywiewną oraz powinno być zabezpieczone przed spadkiem temperatury poniżej zera stopni Celsjusza. Przekrój kanałów wentylacyjnych (nawiewnego i wywiewnego) nie powinien być mniejszy niż 200 cm², przy czym wylot kanału nawiewnego powinien być usytuowany możliwie nisko nad podłogą, a kanału wywiewnego możliwie blisko stropu. W przypadku montowania podgrzewacza z otwartą komorą spalania w łazience, zapewnienie odpowiedniej wentylacji jest szczególnie ważne. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, iż w powietrzu o wilgotności względnej 100%, w temperaturze 50-60^oC, para wodna zajmuje nawet 20% objętości powietrza (takie warunki mogą wystąpić podczas napełniania wanny gorącą wodą w małej łazience o słabej wentylacji). Oznacza to, że o tyle samo zmniejsza się zawartość tlenu w powietrzu pobieranym przez palnik podgrzewacza, co może powodować niepełne spalanie gazu i tworzenie się tlenku węgla.
Niedopuszczalne jest stosowanie wentylacji mechanicznej, która może spowodować zatrzymanie lub odwrócenie ciągu kominowego. Należy także pamiętać, iż w budynku wyposażonym w szczelne okna i drzwi zewnętrzne wentylacja mechaniczna w pomieszczeniach sąsiednich także może zakłócać prawidłowy ciąg kominowy. W miarę możliwości podgrzewacz należy zamontować w pobliżu kanału kominowego oraz w pobliżu punktów odbioru ciepłej wody, aby skrócić czas jej dopływu.
Przewód kominowy (o minimalnej wysokość 2,0 m), powinien być odporny na destrukcyjne działanie pary wodnej i mokrych spalin, ponieważ w wyniku reakcji spalania gazu tworzy się duża ilość pary wodnej, która wkrapla się w chłodniejszej części przewodu kominowego. Aby zapobiec szybkiemu zniszczeniu komina, zbudowanego z tradycyjnej cegły, kanał spalinowy należy zabezpieczyć, np. przy pomocy szczelnego wkładu kominowego ze stali kwasoodpornej.

Podgrzewacze z zamkniętą komorą spalania
Podgrzewacze z zamkniętą komorą spalania można montować w pomieszczeniach pozbawionych kanałów kominowych, wyprowadzając przewody powietrzno-spalinowe ponad dach lub przez ścianę zewnętrzną (dotyczy tylko podgrzewaczy o mocy nie większej niż 21 kW montowanych w budynkach wolnostojących).
Średnice tych przewodów (w zakresie od 60 do 130 mm) dobiera się w zależności od ich długości, liczby kolanek, mocy podgrzewacza i sposobu ułożenia (koncentrycznie lub oddzielnie). Taką instalację należy także wyposażyć w elementy pozwalające na odprowadzenie kondensatu (tzw. odskraplacz).

Inne zagadnienia
Każdy podgrzewacz jest przystosowany do spalania tylko określonego rodzaju gazu (rodzaj gazu jest podany na tabliczce znamionowej). Zwykle możliwe jest przezbrojenie urządzenia na inny rodzaj gazu przez uprawnionego serwisanta.
Podgrzewacze zasilane gazem skroplonym nie powinny być instalowane w pomieszczeniach, w których poziom podłogi znajduje się poniżej poziomu gruntu (np. piwnice).
Należy także pamiętać, iż niezbędne jest minimalne ciśnienie wody dopływającej do podgrzewacza, które jest określone przez producenta danego urządzenia (zwykle powyżej 0,2 bara).
Podgrzewacze montowane w pobliżu punktów odbioru wody (np. strefie 1, nad wanną) powinny posiadać odpowiednie zabezpieczenie przeciwporażeniowe i odpowiednio wysoki stopień ochrony elektrycznej.

dr inż. Piotr Machniewski
Autor jest pracownikiem naukowym
Wydziału Inżynierii
Chemicznej i Procesowej
Politechniki Warszawskiej