Tüzeléstechnika

Alapfogalmak

Épület gázellátása, fűtése

A gázellátás speciális területe az épületgépészetnek, gyakorlatilag energiahordozó szállításáról van szó: a gázellátó hálózat kialakítását emiatt szigorú előírások szabályozzák. A vezetékes gázellátás viszonylatában amikor "gázról" beszélünk, akkor földgázt értünk alatta.

Néhány szó a földgáz tulajdonságairól. Ez a gázfajta telített szénhidrogének keveréke, amely alkotók az ún. metán-sor tagjai: metán (CH₄), etán (C₂H₆), propán (C₃H₈), bután (C₄H₁₀), pentán (C₅H₁₂), oktán (C₆H₁₄) stb.
A földgáz fűtőértéke annál nagyobb, minél magasabb számú szénhidrogének alkotják: a gyakorlatban felhasználásra kerülő földgázban azonban a metántartalom 90% feletti értéke dominál. A földgáz eredetileg színtelen, szagtalan gáz: orrfacsaró "illatát" ún. merkaptán-származékokkal történő utólagos szagosítása során nyeri el. A lakossági vezetékes gázszolgáltatásban a földgáz "elődje" (hazánkban 1988-ig) a városi gáz volt, amely szénmonoxid (CO) tartalma miatt mérgező. A földgáz nem mérgező, azonban belélegzése oxigénkiszorító hatása miatt ájulással, szélsőséges esetben fulladással jár. A földgáz a levegőnél könnyebb, ezért levegőben felfelé száll.

A tökéletes földgáz tökéletes égése során jelentős hőmennyiség felszabadulása mellett széndioxid és víz égéstermékekre bomlik; metán esetén pld. ez a folyamat: CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O.
A valóságban azonban a földgázban szennyezőanyagok is vannak, és a tökéletes égés sem biztosítható minden esetben. A gyakorlati égéstermék komponensek közül a legveszélyesebbek (mérgezőek) a tökéletlen égés során keletkező CO (szénmonoxid) és a magas hőmérsékleten keletkező úgynevezett NO_x (ejtsd: en-ó-iksz). Utóbbi elnevezés 5-féle vegyületet takar: legjelentősebb az NO (nitrogén-monoxid) és az NO₂ (nitrogén-dioxid).

A földgáz tehát élettanilag önmagában és égéstermékei formájában sem veszélytelen - azonban még így is a ma alkalmazott "legtisztább" fűtőanyag.
Példának okáért egy korszerű földgáztűzelésű kazánból kikerülő égéstermék össze sem hasonlítható egy diesel- vagy benzinüzemű autó belsőégésű motorjából kikerülő szennyezéssel...

Itt érkeztünk el a fűtéstechnikához, amely feladat azonban nem feltétlenül és kizárólag földgáz hőenergiájának hasznosításával látható el. A széntüzelésű megoldások központi fűtéseknél ma már elavultnak számítanak, számottevőek azonban az olajtüzelésű megoldások, amely energiahordozó korszerű kazánnal meglehetősen jó hatásfokkal és környezetbarát módon elégethető. A többi megoldás elterjedtségét tekintve a "futottak még" kategória...
Amikor fűtéstechnikáról írok, elsősorban lakóépületek központi fűtési rendszereire összpontosítok: az egyedi fűtések egyik csoportja ma már elavultnak számít, vagy csak ideiglenes fűtésre használt (széntüzelésű- és olajkályhák, cserépkályhák, gázhősugárzók, gázkonvektorok, olajradiátorok, villamos- és gáz hőlégfúvók stb.), másik csoportjuk pedig inkább a "romantika", mintsem a fűtéstechnika kategóriája (kandallók, búbos kemencék stb.).

Ipari célra, elsősorban csarnokok fűtésére használnak még gáz- és indirekt fűtésű termoventilátorokat, valamint sugárzófűtéseket.

A kazánok azok a berendezések, amelyekben az energiahordozó hasznosítása megtörténik. A kazánok szerkezete általánosan 3 részre tagolódik. Az égőtérben zajlik maga az égés, a füstjáratokon pedig végbemegy a hőátadás a harmadik rész, a víztér felé.
Ha ma meglátogatunk egy kazánkereskedőt, és előadjuk vásárlási szándékunkat, több dolgot is fog mondani nekünk. Legelőször is leszögezi, hogy az adott márka a Föld nevű bolygó legjobb kazánjait állítja elő, második gondolata a szükséges fűtőteljesítmény iránt irányul. A legkisebb kategóriában kb. 30 kW-ig kaphatóak ún. falikazánok (cirkogejzerek, vagy ún. "kombi-cirkók": utóbbiak legelterjedtebb változatai csak alapszintű, átfolyó rendszerű használati melegvíztermelésre alkalmasak! - lásd előző fejezet), a másik "vonalon" álló kialakítású kazánokról beszélünk. Fűtőteljesítményüket tekintve a falikazánok alkalmasak egy lakás vagy egy kisebb családi ház hőellátására, ráadásul ma már beléjük zsúfolnak mindenféle kiegészítőt is, hogy már szinte csak a csőhálózatot kelljen kiépíteni hozzá: szakmai berkekben azonban ezeket a készülékeket mégis csak "low end" rendszereknek jegyzik. (A technika fejlődése és az egyre szigorodó környezetvédelmi előírások miatt azonban sűrű a gyanúm, hogy bármilyen kazánt választunk is, a "nagypapám vette, és én még fűtök vele" típusú sztorik a múlté...)
A cirkogejzereket leggyakrabban szobatermosztátról vezérlik: ilyen megoldásnál javasolt a ma már viszonylag elérhető áron beszerezhető ún. heti programozású szobatermosztát alkalmazása, amely ésszerű beállításokkal jelentős energiaspórolást eredményezhet.

Elhelyezhetőségükön kívül alapvető különbségek a kazánszerkezet anyagát és az égőket tekintve vannak. A kazánszerkezet hagyományos anyaga a tagosított öntöttvas elem, de gyártanak kazánt acéllemezből és speciális ötvözetekből is (pl. saválló acéllemez, saválló alumínium-ötvözet).
A kazán anyagának megválasztása kihatással van az élettartamra és az üzemeltetési paraméterekre. Az égéstermékben lévő agresszív szennyezőanyagok (pl. kénsav) az ún. harmatponti hőmérsékletük alatt lévő felületeken kicsapódnak (=kondenzálódnak), és károsítják a kazán szerkezetét. (A legkorszerűbb kazántechnológiák -az ún. kondenzációs kazánok- saválló szerkezetükkel ellenállnak a kondenzátum agressziójának, és így lehetővé teszik az égéstermékben lévő közel teljes hőmennyiség hasznosítását. A gyakorlatban ezek a kazánok még igen drágák; megtérülésük egyedi esetenként mérlegelendő.)
A gázégők működésük alapján atmoszférikus és túlnyomásos égőkre tagozódnak: alapvető különbség, hogy a túlnyomásos égők az égési levegőellátáshoz ventilátort használnak. (Az atmoszférikus égőket csak kb. max. 150 kW-ig alkalmazzák, a túlnyomásos égők minden teljesítménytartományban megtalálhatóak.) A korszerű olajtüzelésű égők túlnyomásos rendszerűek: egyes típusaik vegyestüzelésre (olaj vagy gáz) is alkalmasak.
Az égők fontos paramétere (cirkók esetében is!) a szabályozhatóság: eszerint megkülönböztetünk ún. kétpont- (ki/be kapcsol), három pont- (0, 50, 100%) és folyamatos lángszabályozású égőket. (Hogy ez miért fontos?: lásd az automatikával foglalkozó fejezetben!)

Itt ismételten egy elméleti rész következne, de csak ínyenceknek, egészen apró betűkkel szedve.
Az első téma: a hőcserélők.
Hogy mik is azok a hőcserélők, könnyen megérthetjük néhány gyakorlati példából. Például a kazánban a füstgáz átadja a hőjét a kazán vízterében lévő víznek: itt egy hőcsere zajlik le; mondhatnánk, hogy a kazán "alapkiszereltségben" tartalmaz egy hőcserélőt is. Vagy vegyünk példának egy indirekt fűtésű használati melegvíztárolót, amelyet a belé szerelt csőkígyóval fűtünk.
Egy szó, mint száz az épületgépészetben lépten-nyomon találkozunk hőcserélőkkel, ami miatt megérnek egy pár sort szólni róluk.

A témáról sok szakértő írt vastagabbnál vastagabb könyveket, tele végtelennek tűnő levezetésekkel, és mégis: az igazat megvallva a hőcserélőkben lejátszódó folyamatok annyira komplexek és sokváltozósak, nemhogy számítással modellezni, de még megmérni őket is igen nehéz.
A hőcserélők mindezt persze nem tudják: ők itt vannak, használjuk őket, és többé-kevésbé beváltnak nevezhető konstrukcióik láttak napvilágot.
Alább a teljesség igénye nélkül felsorolok néhány, épületgépészeti rendszerekben előforduló helyet, ahol tipikusan hőcserélőkre vagyunk hagyatkozva:

- kazánok füstgáz hőcserélői
- indirekt fűtésű használati melegvíztermelők
- radiátorok, fan-coil készülékek és egyéb hőleadók
- légkezelők fűtő- és hűtőkaloriferei
- légkezelők hővisszanyerő berendezései
- padlófűtési rendszerek hőcserélős megoldásai stb.

A másik szerkezetünk, amit ki szeretnék emelni, az épületgépészeti rendszerek "szívei": a szivattyúk és ventilátorok.
Alapvető működési paramétereik a szállított közegmennyiség és a létrehozott nyomáskülönbség, ami a közeg szállításához szükséges. A két mennyiség függvénye egymásnak, amelyet koordináta-rendszerben ábrázolva a szivattyú vagy a ventilátor jelleggörbéjének nevezünk.
Itt újra visszautalnék a csővezetékek hidraulikájáról szóló fejezetben a csővezetéki ellenállás fogalmára, amely mint említettem, a szállított közeg sebességével négyzetesen arányos. Ez a jelleggörbe minden egyes csőhálózat mértékadó hidraulikai körére felvehető, és koordináta-rendszerben ábrázolva egy adott szivattyú jelleggörbéjével való metszéspontja meghatározza az úgynevezett munkapontot. (A gyakorlatban a munkapontot határozzuk meg először, és ehhez választunk szivattyút: lásd: "hőtechnikai és hidraulikai méretezés".)
Még megemlíteném, hogy a villamos üzemű szivattyúk és ventilátorok motorjainak épületvillamos és épületautomatika vonatkozásuk is vannak: ezeket a kérdéseket minden esetben az illető szakterületek szakértőivel egyeztetni szükséges.
Ami hátravan még a fejezetből: a csőhálózat és a hőleadók.
Amikor fűtési rendszerekről beszélünk, ma már szinte kizárólagosan max. 90°C-on üzemelő ún. melegvízfűtésekre gondolunk: gőzfűtést hátrányos tulajdonságai miatt ma már csak ott alkalmaznak, ahol a fűtési igény mellett számottevő gőzigény is van (pl. kórházak vagy ipartelepek).
A csőhálózatra vonatkozóan itt is elmondható a csőszerelési rendszerek sokszínűsége. A fűtési rendszerek hagyományos csőanyaga a hegesztett fekete acélcső, amely csőanyag pozícióját mostanában a forrasztott réz csővezetékek kezdik ki leginkább.
A csőhálózat kialakításának általános szempontja, hogy a fűtési rendszernek feltöltéskor ki kell tudni légtelenednie. Ezt úgy kell elképzelni, hogy feltöltéskor a fűtési rendszerben a vízszint egyre emelkedik. A csővezetéket adott magaspont felé emelkedéssel (de legrosszabb esetben is max. vízszintben) szerelik, a magaspontokon pedig légtelenítő helyeket alakítanak ki: ez lehet kézi vagy automata. Amennyiben a rendszer valamely pontján megszorul a levegő, az áramlást megzavarja (szélső esetben megállítja). A feltöltött hálózatba a levegő bejutása azért is káros, mert a vízben oldódott oxigén a csőhálózat idő előtti korrózióját okozza. A korszerű, ún. membrános zárt tágulási tartállyal szerelt fűtési rendszerekben ez a veszély (ellentétben a korábbi nyitott tágulási tartályos rendszerekkel) üzemszerűen nem áll fenn.

A zárt tágulási tartály megintcsak egy érdekes "állat": érdemes a működését ismerni. Legfontosabb szerepe, hogy a rendszerben az üzemi nyomást állandó értéken tartsa: ez a rendszerben lévő víz térfogatának hőmérséklet-függősége miatt érdekes. Három fontos paramétere a tartálytérfogat (a rendszertérfogat, a nyomásviszonyok és az üzemi hőmérsékletek függvénye), a gázoldali előnyomás (ez a rendszer feltöltetlen állapotában értendő; a rendszer tágulási tartály feletti(!) magassági kiterjedésének függvénye: tetőtéri elhelyezésnél figyelembe kell venni a szivattyú szívóhatását; ha az épület ráadásul magas is, gondolni kell a rendszer legalsó pontján kialakuló maximális nyomásra), valamint a vízoldali töltési nyomás, amelyre a rendszert felfűtetlen állapotában fel kell tölteni. Az előnyomás és a töltési nyomás értékeit legjobb egy alkoholos filctollal ráírni a tartályra - így mindig "kéznél lesz". Nagyobb rendszereknél javasolt a töltővezetékbe vízmérőórát építeni: a rendszertérfogat pontos ismeretével a tartályméret megfelelősége ellenőrizhető, illetve a rendszeres utántöltések szükségessége szivárgásra vagy a biztonsági szelep működésbe lépésére figyelmeztet. (Amíg a fűtési rendszer nyomásának alsó értékét a tágulási tartály, addig a felső értékét a biztonsági szelep határozza meg: ez a rendszerben esetlegesen fellépő túlnyomást kiengedi.)
A fűtési rendszert ajánlatos nyomott rendszerként kialakítani: ez azt jelenti, hogy a tágulási tartály vezetékét - különösen nagyobb rendszereknél - a szivattyú(k) szívóoldalára, attól viszont legalább 1m-re bekötni.

A csőhálózat további fontos kritériuma az üríthetőség. A fűtési rendszert előírt minőségű lágyvízzel szükséges feltölteni. Ennek célja többek között a kazánban a vízkőkiválás megakadályozása. A vízkő csökkenti a hőátadás hatásfokát, szélsőséges esetben pedig kazánrobbanás okozója lehet (a vastag, szigetelő hatású vízkő hirtelen repedése során a kazánfalra alacsonyabb hőmérsékletű víz kerül, igen nagy feszültséget okozva a szerkezetben).

A csőhálózat nyomvonala lehet falon kívül vezetett: ez nem túl esztétikus megoldás, de karbantartási- és javítási szempontból a legszerencsésebb. Padlóban vagy falsarokban vezetve a kifejezetten ilyen felhasználásra szánt műanyagcsöves rendszereket érdemes a leginkább alkalmazni: ezekhez kapható alsóbekötésű szelepes radiátorokkal talán a legesztétikusabbak. Falhoronyban rézcsöveket célszerű vezetni: ehhez a csövet szigetelni szükséges, és gondolni kell a hő hatására bekövetkező dilatációra (megnyúlás) is.

A padló-, mennyezet- és legújabban a falfűtések külön fejezetei a fűtéstechnikának. A csőhálózat itt tulajdonképpen maga a hőleadó is, módja pedig az ún. hősugárzásos úton való hőleadás. A padlófűtés sok előnye mellett van néhány hátránya, amelyeket alkalmazása esetén ajánlatos figyelembe venni:

- nem célszerű szőnyegborítású vagy parkettás helyiségben alkalmazni: ezek gyakorlatilag szigetelők. Leginkább kőburkolattal érdemes használni.
- nagy a hőtehetetlensége: a felmelegített nagytömegű beton különösen átmeneti időszakban okozhat túlfűtést
- mivel korlátozott a felületi hőmérséklet (fürdőszobában max. 29°C, huzamosabb tartózkodásra szánt helyiségekben max. 26°C), ezért a helyiség fűtési hőszükséglete sok esetben nem biztosítható kiegészítő radiátoros fűtés nélkül. Kiegészítő radiátorok alkalmazása egyébként is ajánlott, mivel a padlófűtés esetén a padlóközelben koncentráltabb portartalmú réteg alakul ki (hálószoba, gyermekszoba!)

A padlófűtések ideális csőrendszere az oxigéndiffúziót gátló réteggel ellátott térhálósított polietilén (PE-X) padlófűtési csövek. Padlófűtést legideálisabb kizárólag a komfortérzet növelése céljából egy minimális kiegészítő fűtésként figyelembe venni: ez azonban meglehetős luxusnak számít.

A hőleadók hagyományos típusai a radiátorok. Ezeknek léteznek pld. (kb. költség szerint csökkenő felsorolásban) tagosítható öntöttvas- és alumínium, valamint alumínium- és acéllemez lapradiátor kiviteleik. Az egyes radiátorkonstrukciók a hőt konvekció- és hősugárzás más-más arányában adják le: minél több a radiátor felénk eső sík felülete, a hősugárzás annál jobban érvényesül. A hősugárzás a hőérzetet jelentősebben (kb. 55%-ban) befolyásolja a konvekciónál, viszont ez csak a radiátorra történő közvetlen rálátás esetén érvényesül igazából. Lapradiátor alkalmazása esetén ezért javasolt a konvektorlemezzel ellátott típusok előnyben részesítése. A korszerű lapradiátorokat a régebben használatos tagosított öntöttvas radiátorokkal összehasonlítva megállapítható, hogy jóval kisebb vízterük miatt hőtehetetlenségük is kisebb. Ennek következtében a helyiség hőingása némileg megnövekszik.
Németországban új rendszereknél kötelező, hazánkban ajánlott a radiátorokat termosztátfejes radiátorszeleppel szerelni: ezek jelentős energiamegtakarító szerepük mellett biztosítják a helyiség állandó hőmérsékleten tartását.

Az ún. fan-coil (ejtsd: fen-kojl) egységekről ("magyarított" nevük: klímakonvektor) a komfort hűtéstechnikáról szóló fejezetben szólok: ezek a központi hűtés-fűtés rendszerek tipikus hőleadói.

Forrás: Magyar Elektronikus Könyvtár