Právo a znalec: zavzdušňování otopných soustav
Odhalit příčinu poruchy otopné soustavy bytového domu spočívající v jejím nadměrném zavzdušňování může být mnohem složitější, než se na první pohled jeví. Impulsem k provedení znaleckého posudku byla stížnost na provozovatele otopné soustavy, že se jedna stoupačka otopné soustavy opakovaně zavzdušňuje a otopné těleso v posledním patře je vyřazováno z provozu.
Ideální otopná voda neobsahuje žádný plyn. V praxi se k tomuto stavu snažíme přiblížit. Zvýšený obsah plynů vždy signalizuje nějakou chybu. Jednou z příčin mohou být elektrochemické procesy, jak ukazuje konkrétní příklad. Odhalit příčinu poruchy otopné soustavy bytového domu spočívající v jejím nadměrném zavzdušňování pak může být mnohem složitější, než se na první pohled jeví. Impulsem k provedení znaleckého posudku byla stížnost na provozovatele otopné soustavy, že se jedna stoupačka otopné soustavy opakovaně zavzdušňuje a otopné těleso v posledním patře je vyřazováno z provozu.
Zjištění
Teplovodní dvoutrubková otopná soustava byla osazena litinovými článkovými tělesy. Zdrojem tepla pro dva bytové objekty byla výměníková stanice CZT.
Posuzovaná otopná soustava bytového domu vizuálně nesignalizuje chybný návrh nebo chybnou montáž. Na vhodném místě je vybavena funkčním, automaticky pracujícím plovákovým odplyňovačem, který podle zjištění na místě pracoval správně. Byla provedena pečlivá kontrola míst, kudy by mohly do otopné soustavy vnikat plyny, například přírubových spojů atp. Byla ověřena správnost volby expanzní nádoby a nastavení tlaku plynu za membránou nádoby, které by se v negativním případě mohly podílet na zvýšené četnosti doplňování otopné vody, a tak vnášení plynů. Odebraný vzorek otopné vody signalizoval vysoký obsah plynů i korozních produktů.
Příčina a doporučení
Po otevření ručního odvzdušňovacího ventilu na otopném tělese unikal plyn. Po zapálení hořel svítivým plamenem, což signalizovalo přítomnost vodíku (Obr. 1 a Obr. 2).
Dále byly zjištěny korozní produkty v otopné vodě odebrané ze zpětného potrubí (Obr. 3) ve výměníkové stanici, které podle chemického rozboru obsahovaly 95 % sloučenin hliníku.
Obr. 1 Mléčně zakalený vzorek topné vody je důkazem obsahu velkého množství plynů. Rozpuštěné plyny v topné vodě se při odběru vzorku, při kterém dojde ke snížení tlaku z tlaku uvnitř otopné soustavy na tlak atmosférický, spontánně uvolní ve formě nepatrných bublinek.
Obr. 2 Vzorek topné vody odebraný z horní části přívodního potrubí otopné soustavy ukazuje na přítomnost nejen plynů, ale i jiných látek.
Obr. 3 Korozní produkty odebrané ze zpětného potrubí. Vzhledem k obsahu více než 95 % sloučenin hliníku dokazují silnou korozi probíhající v hliníkových otopných tělesech.
V soustavě daného domu se vyskytují prvky z měděných slitin (mosaz, bronz), černé oceli a z nerezové oceli jsou výměníky tepla. Otopná tělesa jsou litinová. Při hledání konstrukčních prvků, které obsahují hliník a mohly by být zdrojem zjištěných korozních produktů, bylo nutné se zaměřit i na další objekty. Takto bylo zjištěno, že v sousedním objektu, který je zásobován teplem ze stejné výměníkové stanice, a tedy i stejnou oběhovou vodou, majitel při modernizaci bytu demontoval litinová tělesa a nahradil je tělesy hliníkovými.
Vysoký obsah plynů v otopné vodě, který způsobuje opakované zavzdušňování otopného tělesa, je založen na kombinaci nejrůznějších kovů, v jejímž důsledku v otopné vodě probíhají elektrochemické procesy a uvolňují se plyny, nejčastěji vodík. Shodou okolností se takto vzniklý plyn nepříznivě projevil v jiném objektu.
Jako základní a v daných podmínkách možné opatření bylo doporučeno stávající plovákové odplyňovací ventily doplnit o aktivní separátor plynů. Důrazně bylo doporučeno odstranit hliníková otopná tělesa, která jsou příčinou problému. A také, aby si při případných modernizacích v dalších bytech nechali majitelé bytů, respektive jejich zástupci (SVJ), předložit materiálovou skladbu instalačních prvků k odsouhlasení, aby se použitím nevhodné kombinace materiálů nezvyšoval potenciál tvorby plynů.
Vysvětlení
Plyny se do otopné soustavy dostávají různým způsobem. Nejčastěji při montáži a opravách, zcela výjimečně přisáváním netěsnostmi v místě s nízkým tlakem. Plyny mohou být do otopné soustavy vnášeny neodplyněnou teplonosnou kapalinou při napouštění a doplňování. Typickým příkladem je doplňování pitnou vodou z vodovodu. Po odstranění netěsností se těchto plynů poměrně snadno zbavíme klasickým postupem:
- Zdroj tepla provozujeme na maximální teplotu výstupní vody bez ohledu na venkovní teplotu (ideálně až na 90 °C).
- Vypneme oběhová čerpadla.
- Počkáme alespoň jednu hodinu.
- Provedeme odvzdušnění celé soustavy včetně zdroje tepla.
Postup opakujeme tak dlouho, dokud se vyskytují volné plyny. Pokud je vše v pořádku, nebudou vznikat problémy s plyny až do dalšího zásahu do otopné soustavy.
Pokud se i po řádném odplynění teplonosné kapaliny plyny vyskytují opakovaně, je třeba zjistit příčinu. Výskyt plynů může být po řádném odvzdušnění částečně skryt činností automaticky pracujícího odvzdušňovacího ventilu. Vznikne-li podezření na zvýšenou tvorbu plynů, případně i jako preventivní opatření, je vhodné pro posouzení rychlosti zvětšování množství plynů v soustavě odvzdušňovací ventily dočasně vyřadit z provozu.
Nejčastější příčinou nadměrného obsahu plynů po vyloučení vlivu netěsností a přívodu plynů při doplňování otopné vody jsou zpravidla korozní procesy. Obvykle se koroze rozlišuje na chemickou a elektrochemickou. Rozdíl mezi elektrochemickou a chemickou korozí není zásadní, zpravidla se vždy jedná o kombinaci těchto dvou korozních procesů. V otopných soustavách se vyskytuje mimo jiné i koroze biologická.
Koroze chemická a elektrochemická
Korozi oceli zásadním způsobem ovlivňuje kyslík rozpuštěný v teplonosné kapalině. Není-li ve vodě rozpuštěný kyslík, je koroze oceli velmi malá. Korozi ovlivňuje i přítomnost chloridů. Ve vodě obsahující rozpuštěný kyslík pak chloridy korozi zrychlují. Za nepřítomnosti rozpuštěného kyslíku nemají chloridy na rychlost koroze podstatný vliv. Dalším důležitým činitelem v korozi oceli je koncentrace vodíkových iontů. Optimální pH pro otopné soustavy závisí na použitých konstrukčních materiálech a podle nich se může lišit.
Elektrochemický potenciál
Každý konstrukční materiál se vyznačuje standardním elektrochemickým potenciálem. Standardní potenciál kovu je aktivita kovových iontů v roztoku za standardních podmínek (teplota T = 293,15 K, tlak p = 101325 Pa). Standardní potenciál charakterizuje elektrochemickou ušlechtilost kovů, tj. elektrochemickou snahu kovu přecházet do oxidovaného stavu a uvolňovat elektrony. Kovy ušlechtilé, tj. s vyšším standardním potenciálem, mají tuto snahu menší než kovy s nižším standardním potenciálem. Podle elektrochemické ušlechtilosti, tedy velikosti jejich standardního potenciálu, je lze seřadit do řady, od nejvíce ušlechtilých (například platina, zlato) k nejméně ušlechtilým (například zinek, alkalické kovy). V závislosti na rozdílu potenciálů pak vzniká mezi kovy elektrické napětí.
V literatuře lze nalézt standardní elektrodové potenciály kovů při 25 °C, které se vztahují k vodíkové elektrodě, jejíž potenciál byl tedy zvolen jako nulový (tzv. Beketovova řada kovů). Například kovy nejčastěji se vyskytující v otopných soustavách mají tyto elektrodové potenciály:
| Prvek | Chemická značka | Elektrodový potenciál (při 25 °C) [V] |
|---|---|---|
| Hořčík | Mg | −2,372 |
| Hliník | Al | −1,662 |
| Zinek | Zn | −0,762 |
| Železo | Fe | −0,447 |
| Nikl | Ni | −0,257 |
| Cín | Sn | −0,138 |
| Olovo | Pb | −0,126 |
| Vodík | H | 0,000 |
| Měď | Cu | +0,342 |
Z hlediska koroze má význam vzájemný rozdíl elektrochemických potenciálů kovů. Velikost elektrodových potenciálů se při odlišných teplotách mění a zpravidla roste. Rychlost koroze závisí současně na poměru velikosti ploch materiálů s různým potenciálem. A v neposlední řadě korozi ovlivňuje i rychlost a směr proudění teplonosné kapaliny ve smyslu různorodých materiálů na trase, tj. v potrubní síti.
Pokud se mezi dva kovy s odlišnými elektrochemickými potenciály vloží korozní prostředí, tj. roztok (elektrolyt), vzniká makročlánek, který mezi kovy vyvolá měřitelný elektrický proud. Nejde však jen o tok elektronů, v jehož důsledku se nemění chemické složení a množství kovu, jako je tomu například u elektrických vodičů – kabelů. V tomto případě se atomy jednoho z kovů rozpadají na elektrony, které prochází hmotou kovu, a zbytky atomů, tedy ionty, které putují korozním prostředím (elektrolytem) k druhému kovu. V zásadě pak může dojít k tomu, že se ionty prvního kovu hromadí u druhého kovu, ze kterého přijmou chybějící elektrony a vytvářejí na něm vrstvu, která zmenšuje aktivní plochu ve styku s roztokem a snižuje velikost proudu a omezuje další korozi. Toto by byl z hlediska omezení koroze příznivější stav.
Druhou možností je to, že ionty kovu reagují s molekulami otopné vody, přitom se uvolňuje vodík ve formě plynu, nebo reaguje s jinými chemickými látkami v ní rozpuštěnými. Tím se ionty sice neutralizují, ale vzniklé látky zůstávají v otopné vodě. Rychlost koroze pak není omezována, neboť produkty koroze jsou otopnou vodou odplavovány. Této přesněji řečeno tzv. elektrolytické korozi nelze zcela zabránit tím, že by se materiály s rozdílným elektrochemickým potenciálem oddělily např. vřazením části potrubí z plastů. Lze tak pouze ovlivnit její intenzitu.
Jsou-li v otopné soustavě použity konstrukční materiály s výrazně rozdílným potenciálem, dochází ve vodním prostředí ke korozi za současného uvolňování plynů, nejčastěji vodíku. Korozí je zpravidla ohrožen materiál s menším potenciálem. To však nemusí platit vždy. Výjimečně může být napaden korozní materiál s vyšším elektrochemickým potenciálem. Závisí to na vlastnostech kapaliny.
Biologická koroze
Příčinou nadměrného výskytu plynů v otopné vodě může být i biologická koroze. Koroze kovů totiž může být ovlivněna nebo způsobena mikrobiologickou činností. Mikroorganizmy mohou mít přímý vliv na rychlost anodických nebo katodických reakcí, tj. rozkládání atomů kovů na ionty. Mohou měnit odolnost kovu svými metabolickými produkty (produkty látkové přeměny) tím, že na površích kovů vytváří korozní mikroprostředí, které by tam bez činnosti mikroorganismů nevzniklo. Při svém růstu a množení vytváří mikroorganismy bariéry mezi povrchem kovu a otopnou vodou a pod bariérami pak vznikají někdy i velmi silné elektrochemické články na povrchu kovu.
Korozně nejvýznamnější jsou bakterie redukující sírany. Žijí v mírně alkalickém prostředí. Ke svému životu využívají vodík, který se v otopné vodě uvolňuje při katodické korozní reakci železa, a redukují sírany na sirníky. Za přítomnosti CO2, který je většinou v otopné vodě rozpuštěný, produkují sirovodík. Tedy plyn, který se pak může podílet na nežádoucích hlukových projevech spojených s provozem otopných soustav. Tyto mikroorganismy odolávají teplotám i nad 80 °C a tak jsou jimi ohroženy prakticky všechny moderní nízkoteplotní soustavy, pokud se v nich vyskytují železné části a nejsou dodrženy zásady správné praxe.
Závěr
Základy ochrany před kontinuálním zavzdušňováním otopných soustav způsobeným korozními procesy:
- V otopné soustavě nepoužívat konstrukční materiály s příliš rozdílným standardním elektrochemickým potenciálem (např. měď-hliník, měď-hořčík, měď-zinek).
- Otopnou soustavu napouštět a doplňovat upravenou a odplyněnou vodou.
- Používat automatická odplyňovací a expanzní zařízení, zařízení pro fyzikální úpravu otopné vody.
- Pokud se plyny v otopné soustavě opakovaně vyskytují bez zjevné příčiny, je nutné odebrat vzorek otopné vody a provést analýzu. Určuje se zpravidla hodnota pH, vodivost, celková tvrdost, koncentrace kyslíku a jiných plynů, vápníku, hořčíku, těžkých kovů, chloridů, síranů aj.
- Doporučuje se provést rovněž analýzu kalů obsahujících korozní produkty. Z provedených rozborů lze určit příčinu vývinu plynu a doporučit účinná opatření.
Korozní problémy, a s nimi související zvyšování obsahu plynů v otopné vodě otopných soustav, jsou velmi složité procesy a výše uvedené vysvětlení ukazuje jen na základní principy. Pro instalační praxi není důležité znát detaily elektrochemických procesů. Je však důležité vědět o existenci tohoto problému, umět mu předcházet dodržováním prověřených postupů, volit vhodné kombinace materiálů, a tak zabránit poruchám ve vytápění i škodám způsobeným korozními procesy.
Revealing the cause of a faulty heating system in a residential building by over-aerating it can be far more complex than it appears at first glance. The impetus for the expert opinion was the complaint to the heating system operator that one riser of the heating system was repeatedly aerated and the heating element on the last floor was decommissioned.