Technologie w branży grzewczej – wczoraj i dziś. Przegląd innowacji

Ostatnie 25 lat przyniosło wiele zmian w segmencie budownictwa oraz w branży instalacyjnej. Na rynek wprowadzono nowe rozwiązania, udoskonalono także te, które były stosowane od wielu lat, a znalazły się również takie, które z niego zniknęły. Z okazji 25-lecia Informatora Instalacyjnego-murator prezentujemy przekrój zmian w branży ogrzewania.

Rozwój technologii zapewnia użytkownikom coraz większy komfort i bezpieczeństwo użytkowania, a także pozwala zmniejszyć wydatki na utrzymanie obiektów oraz korzystnie wpływa na środowisko.

Co definiuje kierunek zmian w branży grzewczej?

Coraz więcej mówi się o problemie smogu i ogólnie degradacji środowiska. Niska jakość powietrza utrzymuje się przez większość sezonu grzewczego. Rosnące ceny paliw, ale także coraz większa świadomość ekologiczna wymuszają na producentach i inwestorach poszukiwanie nowych oraz mniej inwazyjnych dla środowiska rozwiązań. Obserwujemy ogromną zmianę na rynku urządzeń grzewczych. Wiele z nich jest wynikiem prowadzonych programów i zmian w ustawach zarówno krajowych, jak i tych wymaganych przez UE. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat obserwowaliśmy stopniowy rozwój ekologicznych źródeł ciepła. Pojawiają się również nowe pomysły i rozwiązania, jak np. ustawy antysmogowe, które mają przyczynić się do poprawy tego zjawiska. Ponadto dzięki programom dofinansowań wielu inwestorów decyduje się na wymianę starych urządzeń grzewczych na nowe –  dla większości uczestników rynku takie produkty jak nowoczesne kotły kondensacyjne, kolektory słoneczne czy pompa ciepła to już standard wyposażenia obiektów.

Konieczność unowocześniania istniejących budynków i mieszkań (ponad 3 mld domów w Polsce wymaga modernizacji) również pod kątem wyposażenia w najnowocześniejsze instalacje i źródła ciepła daje szansę, że rynek będzie się rozwijał szybciej. Aby sprostać rosnącym wymaganiom zarówno producenci, projektanci i wykonawcy muszą odnajdować się w gąszczu przepisów i dofinansowań, i co najważniejsze – znać najnowsze rozwiązania i technologie.

Pompy ciepła

Główną zaletą tych urządzeń jest możliwość pozyskiwania energii cieplnej z darmowych zasobów naturalnych. Odpowiednio zaprojektowane i zainstalowane są w stanie zapewnić w każdym budynku, nie tylko mieszkalnym, istotny wkład w oszczędzanie zasobów naturalnych i ekonomiczną produkcję ciepła. Z powodzeniem znajdują zastosowanie np. w instalacjach przemysłowych, gdzie niezwykle istotny jest odpowiedni projekt, który pozwoli w pełni wykorzystać możliwości urządzenia i np. procesy technologiczne (specjalne typoszeregi pomp o dużych mocach wykorzystają ciepło odpadowe zapewniając odpowiednią temperaturę w pomieszczeniach i c.w.u.). Odpowiednia konfiguracja różnych urządzeń pozwala np. na magazynowanie energii i wykorzystanie w okresach większego zapotrzebowania.

Energia cieplna pobierana jest z dolnego źródła ciepła, którym w zależności od rodzaju urządzenia może być powietrze atmosferyczne, grunt, a także woda powierzchniowa lub gruntowa. Dostępne są również rozwiązania umożliwiające pozyskiwanie ciepła ze ścieków albo procesów unieszkodliwiania odpadów. Pozyskana energia może być wykorzystana do ogrzewania, klimatyzacji, przygotowywania c.w.u., podgrzewania wody w basenach. Taka wielofunkcyjność to dodatkowa zaleta tego urządzenia. Na rynku dostępne są również pompy ciepła wyposażone w inwerter prądu stałego (zwany też falownikiem), który odpowiada za płynną regulację mocy. Dzięki temu rozwiązaniu urządzenia mogą dopasować swoją pracę do aktualnych warunków panujących w budynku, unikając przy tym nadwyżki cieplnej przy dodatnich temperaturach. Najnowsze jednostki pracują na ekologicznych czynnikach chłodniczych. Ponadto pompy ciepła są bezobsługowe i całkowicie automatyczne (choć energia elektryczna, która napędza pompę, wciąż jest produkowana z węgla, jej udział stanowi zaledwie 17%), nie ma wymogu dostarczania czy składowania paliwa, ponieważ energia pochodzi z OZE. Dzięki wyposażeniu w funkcjonalny system sterowania, możliwe jest dostosowywanie pracy pompy ciepła do warunków pogodowych oraz indywidualnych wymagań użytkowników.

Cały proces pozyskiwania ciepła jest efektywny i niedrogi. Sprawdzą się zarówno do ogrzewania nowych obiektów, jak i poddawanych modernizacji, gdzie przy wymianie źródła ciepła dają ok. 40% oszczędności podczas eksploatacji. Same nakłady inwestycyjne są wyższe w porównaniu do urządzeń wykorzystujących tradycyjne paliwa (węgiel, gaz czy olej), ale eksploatacyjne już znacznie niższe. Koszty zasilania urządzenia stanowią do 30% wytworzonej energii. Obecnie postęp w technologii produkcji, zwiększenie sprawności całego układu grzewczego oraz nacisk na pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych sprawia, że cieszą się one niesłabnącą popularnością. Ta pozytywna tendencja obserwowana jest szczególnie w ostatnim dziesięcioleciu i prognozy wskazują na dalszy wzrost zainteresowania tym źródłem ciepła dodatkowo stymulowany obniżającym się cenom instalacji.

Kotły gazowe

W niemal wszystkich nowoczesnych kotłach gazowych stosowana jest technologia kondensacyjna, która charakteryzuje się wyższą o kilkanaście procent sprawnością, a więc mniejszym zużyciem paliwa. W związku z rozwojem technologii to właśnie kotły kondensacyjne odnotowują dynamiczny rozwój. Zmianie uległa zarówno konstrukcja, jak i systemy sterowania, a same kotły stają się częścią systemów hybrydowych i wielopaliwowych.

W rozwiązaniach tradycyjnych komora spalania mogła być otwarta lub zamknięta (rzadko spotykane rozwiązanie) i również był wybór między kotłami jedno-i dwufunkcyjnymi. W nowych rozwiązaniach dostępna jest tylko zamknięta komora spalania, co eliminuje ryzyko wydostania się spalin z kotła do pomieszczenia. Porównując tradycyjne i nowoczesne rozwiązania, na pierwszy plan wysuwa się sprawność urządzeń. Kotły kondensacyjne mają ją wyższą, a jest to możliwe m.in. dzięki temu, że wykorzystuje on energię uwalnianą w wyniku skraplania się pary wodnej obecnej w spalinach. Budowa starszych urządzeń uniemożliwiała wykorzystanie tej energii (zwanej ciepłem utajonym), która była tracona wraz ze spalinami wylatującymi przez komin.  Kolejnym elementem wyróżniającym nowoczesne rozwiązania jest rezygnacja z palników jednostopniowych i zastąpienie ich tymi o modulowanej mocy (nawet od 2 do 25 kW), dzięki czemu kotły kondensacyjne, pracujące przez większość czasu z obniżoną mocą, mają lepszą średnioroczną sprawność nawet o 10%. Nowoczesne palniki w połączeniu ze skuteczną kontrolą przepływu powietrza i parametrów spalin umożliwiają efektywne działanie kotłów – na potrzeby c.o. mogą pracować na poziomie 10–20% mocy maksymalnej, a później szybko ją zwiększyć aby przygotować c.w.u. Wysoką sprawność kotłów kondensacyjnych uzyskano również dzięki nowoczesnym konstrukcjom wymienników ciepła oraz materiałom, z których zostały wykonane, jak np. stal nierdzewna, stopy aluminium oraz ich polimeryzacja.

Nie bez znaczenia jest również budowa i wygląd kotła. Obecnie jest ona bardziej kompaktowa, nawet łącząc kilka obiegów wody (np. do grzejników i ogrzewania podłogowego) można wybierać spośród niewielkich urządzeń, gdzie w obudowie niewiele większej od szafki kuchennej mieści się urządzenie o mocy 150 kW, a możliwość łączenia je w układy kaskadowe umożliwia pokrycie zapotrzebowania nawet ok. 1 MW.

Coraz częściej stosowanym rozwiązaniem są systemy hybrydowe – połączenie kotłów kondensacyjnych z kolektorami lub pompą ciepła. Umożliwia ono m.in. redukcję kosztów związanych z przygotowaniem c.o. i c.w.u., niezależne ich działania, chłodzenia w okresie letnim czy wykorzystania na miejscu energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej. Jedno z urządzeń pokrywa podstawowe zapotrzebowanie na ciepło (np. pompa ciepła), a drugie – szczytowe (kocioł).

Kotły na paliwo stałe

Kiedyś najpopularniejszym rozwiązaniem było stosowanie kotłów na węgiel, ale ogrzewanie nimi nie było tanie m.in. ze względu na niską sprawność sięgającą do 50%, nie mówiąc o zanieczyszczeniu, które generują. Liczba eksploatowanych kotłów c.o. zasilanych węglem będzie się stopniowo zmniejszać – nawet tych kotłów c.o. 5. klasy - (zwłaszcza, że UE planuje nie finansować tych rozwiązań), choć ich udział w rynku indywidualnym nadal jest bardzo duży. Ponadto biorąc pod uwagę wymagania automatycznych kotłów węglowych ich eksploatacja będzie droższa, co może skłonić użytkowników do zmiany sposobu ogrzewania. Należy podkreślić, że w segmencie tym zaszło wiele zmian – jeżeli chodzi o potrzeby wytwarzania ciepła na cele indywidualne wzrasta wykorzystanie biomasy (drewno kawałkowane, zrębki, trociny, pelet, brykiet, słoma itp.).

Od kilku sezonów producenci oferują również nowsze rozwiązania – standardem (i jednocześnie wymogiem, jeżeli instaluje się kotły tego typu) stały się kotły klasy 5. Urządzenia te nie tylko emitują mniej zanieczyszczeń, ale również cechują się wyższą sprawnością (do ok. 90%) i łatwością w obsłudze (wersje automatyczne są bezobsługowe). Najczęściej są to kotły na pelet lub ekogroszek z podajnikiem automatycznym (ten segment stale rośnie). Kocioł klasy 5. emituje 3 razy mniej szkodliwych pyłów niż kotły klasy 3. Urządzenia są wyposażone w sterowniki do regulacji temperatury wody kotłowej, optymalizują również proces spalania, zapewniając niższe wartości emisji. Ponadto wyposażenie kotłów, rozwiązania ułatwiające ich eksploatację, a przede wszystkim systemy sterujące sprawiają, że obsługa kotłów sprowadza się najczęściej do uzupełniania zapasu paliwa raz na kilka dni.

Sterowanie ogrzewaniem

Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi w ubiegłym roku przez GFK dotyczących inteligentnych rozwiązań w perspektywie gospodarstwa domowego aktualnie największy potencjał miał robot odkurzający, a  następnym w rankingu jest programator ogrzewania domu. Potencjalni użytkownicy dostrzegają zalety tego rozwiązania, na pierwszym miejscu wskazując możliwość zmniejszenia zużycia energii i kosztów ogrzewania (automatyczne sterowanie ogrzewaniem czy klimatyzacją pozwala rocznie oszczędzić do 30% energii ). Podstawowa funkcja to automatyczne ustawianie temperatury, np.  w zależności od preferencji użytkowników czy temperatury zewnętrznej.  Sterowniki do zarządzania ogrzewaniem umożliwiają zmianę poziomu temperatury w zależności od pory dnia (dzień/noc, powrót z pracy) , aktywności domowników czy przeznaczenia pomieszczeń w trybie np. dziennym lub tygodniowym. Pozwalają na dowolną konfigurację i ustawianie temperatury, np. gdy nikogo nie ma w budynku, temperatura zostanie automatycznie obniżona.

 Jeżeli chodzi o sterowanie ogrzewaniem najprostszym i najtańszym rodzajem urządzeń do regulowania temperatury są głowice termostatyczne. Można je zainstalować zarówno na tych tradycyjnych grzejnikach oraz przy pętlach ogrzewania podłogowego. Inteligentne głowice pozwalają na ustalenie harmonogramu pracy, np. grzanie w określonych porach dniach. Mogą być również wyposażone w czujniki np. otwarcia okna czy ochrony przed nadmiernym wychłodzeniem.

Jednak w dobie powszechnej cyfryzacji to zdalne komunikowanie się z urządzeniami i zarządzanie nimi na odległość jest rozwiązaniem, które z każdym rokiem zyskuje na popularności. Rozwój technologii domów inteligentnych, sprężone ze sobą systemy ogrzewania czy oświetlenia to nie tylko gadżet, ale źródło oszczędności. Większość producentów oferuje urządzenia zintegrowane ze specjalnymi modułami komunikacyjnymi. W zależności od rozwiązania wykorzystują  one m.in. połączenie z domową siecią Wi-Fi czy WLAN. Użytkownik może dzięki temu nadzorować pracę instalacji za pomocą strony internetowej lub aplikacji na urządzeniu mobilnym. Umożliwia to kontrolę urządzeń i pozwala na zmianę od kilku do kilkudziesięciu parametrów instalacji.

Grzejniki

Kiedyś standardem były żeliwne grzejniki  żeberkowe, ale obecnie wiele się zmieniło. Rynek oferuje mnogość rozwiązań, zarówno pod względem budowy, formy czy parametrów.  Odpowiednie zaprojektowanie, dobór i prawidłowy montaż grzejników, sprawia, że świetnie sprawdzą się w instalacjach niskotemperaturowych.  Konstrukcja grzejników uległa zmianie, tak aby mogły efektywniej oddawać ciepło (maksymalizacja powierzchni wymiany ciepła, przy jednoczesnym zmniejszeniu wymiarów urządzenia), w krótkim czasie osiągają zadaną temperaturę.  Innym rozwiązaniem jest stosowanie wkładek termostatycznych czy różnego rodzaju przyłączeń, np. od dołu czy z boku. Powyższe rozwiązania w połączeniu z nowoczesną technologią sterowania pozwalają na oszczędzanie energii i ułatwiają osiągniecie odpowiedniego mikroklimatu w pomieszczeniach, dopasowanego do wymagań użytkowników.

Innowacyjne technologie często idą w parze z ciekawą formą, dlatego wiele zmieniło się również w kwestii samego wyglądu – grzejniki często są istotnymi elementami wystroju wnętrza, a ich kształt czasem ociera się o prawdziwą sztukę (współcześnie praktycznie nie ma żadnych barier w tworzeniu wymyślnych wzorów). Ponadto oferta grzejników obejmuje estetyczne rozwiązania płytowe w pełnej palecie kolorów, grzejniki z nadrukami (forma fototapety) również z osłonami szklanymi z grafiką. Dostępne są grzejniki wykonane z aluminium nadającego się do recyklingu bądź pokryte specjalną powłoką z jonami srebra, dzięki czemu są przyjazne dla zdrowia (skuteczność redukcji mikroorganizmów jest określana na 95%). W tej dziedzinie również znajdziemy urządzenia wielofunkcyjne (pomijając grzewczą i dekoracyjną), jak grzejnik i oczyszczacz powietrza w jednym. Na rynku oferowane są  również grzejniki wyposażone w lustra, tablice magnetyczne, elementy oświetleniowe, półki czy specjalne wieszaki  na ręczniki.

Ogrzewanie płaszczyznowe

Ten typ ogrzewania znany jest już od wielu lat. Jest on coraz częściej wykorzystywany w obiektach nowo budowanych, w których wykonywane są instalacje niskotemperaturowe.  Jeżeli chodzi o rozwój tego rodzaju ogrzewania należy tu wymienić stosowanie folii na podczerwień, które wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne.  Są to cienkie, elastyczne elementy, ich budowa oparta jest o folię PET wzbogaconą elektrodami z taśmy miedzianej, które pełnią rolę przewodnika prądu, nadrukowanego węgla oraz pasty ze srebra (na folii). Rozwiązanie to sprawdzi się zarówno w ogrzewaniu podłogowym, ściennym, jak i sufitowym. Jej grubość to zaledwie ok. 0,4 mm, można ją stosować  pod każdym rodzajem podłogi. Dzięki termoregulatorom możliwe jest precyzyjne zaprogramowanie czasu grzania oraz liczby pomieszczeń.

Podczas modernizacji istniejących budynków może sprawdzić się rozwiązanie, w którym w płytach g-k umieszczono rury PEX. Takie elementy można montować bezpośrednio na istniejących powierzchniach ścian, sufitów czy podłóg wykorzystując konstrukcje wsporcze. Jest polecane zwłaszcza w przypadku konieczności pozostawienia istniejącej posadzki, zachowania wysokości pomieszczenia bądź gdy podłoże nie może być wykorzystane do układania ogrzewania podłogowego ze względu na obciążenia statyczne.

Kolejną innowacyjną technologią w dziedzinie ogrzewania płaszczyznowego są gotowe grzejniki podtynkowe z bardzo cienkimi radiatorami o dużej sprawności, wypełnionymi czynnikiem chłodniczym, którym woda z instalacji c.o. przekazuje swoją energię z ominięciem oporów hydraulicznych. Umieszcza się je w przegrodach i jednocześnie zachowuje ich funkcjonalność. Brak wody pod tynkiem zapewnia również zwiększone bezpieczeństwo użytkowania systemu grzewczego.

Opomiarowanie

Rozliczanie mediów jest jednym z kluczowych elementów w gospodarce finansowej każdej nieruchomości. Wymogi prawne a także dążenie do uzyskania komfortu użytkowania  umożliwił rozwój różnorodnych rozwiązań. Na rynku oferowane są obecnie trzy rodzaje przetworników przepływu: mechaniczne, ultradźwiękowe (urządzenia tego typu charakteryzują się dużą dynamiką pomiarów, a ze względu na brak elementów ruchomych są mniej narażone na awarie) i elektromagnetyczne (choć najdroższe, dzięki swojej precyzji zyskują na popularności). Współczesne ciepłomierze charakteryzują się niewielkimi wymiarami i ciekawym wzornictwem. W zależności od modelu mogą być instalowane w poziomie, pionie lub pod kątem. Nadają się również do montażu w starych sieciach grzewczych.

Nowoczesne ciepłomierze dają większe możliwości zbierania danych niż kilka lat temu, oprócz zdalnego odczytu umożliwiają ich monitoring, archiwizację oraz tworzenie raportów o usterkach. Różnorodne moduły komunikacyjne umożliwiają zdalny odczyt informacji z licznika, zarówno przewodowo (np. M-Bus, Modbus RTU, BACnet MS/ TP, wyjścia impulsowe/analogowe), jak i bezprzewodowo (Wire less M-Bus), dzięki czemu mogą współpracować z różnymi systemami odczytu danych i automatyki budynkowej. Informacja o stanie licznika może być bezpośrednio przesyłana do zakładu, dzięki czemu sieć można na bieżąco monitorować, a przez to nią zarządzać. Nowe funkcje znacząco usprawniają proces rozliczania mediów i ułatwiają zarządzanie siecią.

Systemy kominowe

Nowoczesne systemy kominowe są bardziej zaawansowane technologicznie, przystosowane do współpracy z wysokosprawnymi kotłami. Na rynku dostępne są rozwiązania z izolacją termiczną oraz ze zintegrowanymi systemami kanału wentylacyjnego, które umożliwiają zoptymalizowanie powierzchni zabudowy i kosztu inwestycji.

Dostępne są również systemy odprowadzania spalin wykonane z tworzyw sztucznych, np. polipropylenowe odporne na promieniowanie UV, przeznaczone są do współpracy z kotłami kondensacyjnymi oraz gazowymi absorpcyjnymi pompami ciepła czy LAC (koncentryczne, sztywne rury i kształtki PPH/stal nierdzewna pokryty galwanicznie warstwą miedzi ) do przewodów spalinowych w środowisku zewnętrznym; kotły kondensacyjne i niskotemperaturowe.

Ogrzewanie przeciwoblodzeniowe i przeciwzamarzaniowe

Elektryczne systemy przeciwoblodzeniowe mogą być złożone z przewodów lub mat grzejnych, a ich uzupełnieniem są akcesoria montażowe i podłączeniowe. Na przestrzeni ostatnich lat w efekcie postępu technicznego polepszeniu uległa budowa przewodów a ich montaż stał się znacznie łatwiejszy. Przewody grzejne mają moc od kilkunastu do kilkudziesięciu watów na jeden metr bieżący. Maty dostępne  są w zestawach gotowych do bezpośredniego ułożenia, a wykonane są z przewodów grzejnych złączonych siatką.

Na rynku oferowane są systemy, które mogą być w pełni zautomatyzowane, dzięki zastosowaniu odpowiednich sterowników przeznaczonych do kabli stałooporowych lub zastosowanie przewodów samoregulujących

Urządzenia te reagują na zmienne warunki atmosferyczne, takie jak temperatura i wilgoć − sterownik sam określa konieczność samoczynnego włączenia systemu i rozmrażania danej powierzchni, na podstawie odczytów czujników zainstalowanych w terenie lub na dachu. Takie rozwiązania umożliwiają zaoszczędzenie ok. 75% energii elektrycznej w porównaniu do systemu, który mierzy tylko temperaturę.

Nowoczesne systemy przeciwoblodzeniowe mają ponadto możliwość informowania o oblodzeniu i zaśnieżeniu. Ponadto na wyświetlaczach LCD pojawiają się wartości liczbowe parametrów. Zaawansowane sterowniki mogą współpracować z dwiema niezależnymi instalacjami, obsługując do czterech czujników podłączonych w różnych konfiguracjach. Można programować czułość czujników i kontrolować ich pracę. Istnieje również możliwość ustawienia priorytetu stref w zakresie jednego systemu. Wszystkie te udogodnienia pozwalają na obniżenie kosztów eksploatacji.

Anna Domańska