Getting into Hot Water: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

Lämminvesijärjestelmän näkyvin osa on vesisäiliö. Kuumavesilämmitysjärjestelmiin soveltuvia vakiosäiliöitä on saatavana eri kokoisina, tilavuudeltaan ja seinämäpaksuuksiltaan erilaisina. Maanalaisissa säiliöissä on paksummat seinät kuin maanpäällisissä, joten ne soveltuvat paremmin hitsaukseen. Jos on mahdollisuus valita, on parempi käyttää lyhyttä, halkaisijaltaan suurta säiliötä kuin pitkää, ohutta säiliötä, koska lyhyemmän säiliön pinta-ala on pienempi, mikä vähentää lämpöhäviöitä ja eristyskustannuksia. Taulukossa 3 on esitetty monenlaisten tavanomaisten öljysäiliöiden mitat ja tilavuudet.

Vaikka on parasta käyttää uutta säiliötä, monia onnistuneita järjestelmiä on rakennettu käytetyistä säiliöistä. Käytettyjä öljysäiliöitä saa usein yksinkertaisesti pyytämällä. Jos päätät kokeilla käytettyä säiliötä, tarkasta se perusteellisesti reikien tai ohuiden kohtien varalta. Kysy myös, mitä nestettä säiliössä on säilytetty. Varoitus: Älä koskaan hitsaa tai leikkaa säiliötä, jonka epäilet sisältävän syttyvää materiaalia, ellei sitä ole puhdistettu ja tuuletettu perusteellisesti. Yksi menetelmä öljyn tai bensiinijäämien poistamiseksi suuresta säiliöstä on sekoittaa noin 2 paunaa pesuainetta tuhatta gallonaa kohti ja riittävästi vettä sen liuottamiseksi ja kaataa tämä liuos säiliöön. Täytä sitten säiliö kokonaan vedellä ja anna sen olla useita päiviä, ennen kuin tyhjennät sen ja alat työstää sitä.

Lämmönvarastointikapasiteetti

Kuten aiemmassa kappaleessa mainittiin, yksi järjestelmän kapasiteetin mittari on sen lämmönvarastointikapasiteetti. Vesi on yksi edullisimmista ja helpoimmin siirrettävistä ja hallittavista aineista. Se on myös yksi parhaista tunnetuista lämmönvarastointivälineistä. Vesi voi varastoida neljä tai viisi kertaa enemmän lämpöä kuin kivi, jopa kymmenen kertaa enemmän kuin useimmat metallit ja noin neljä kertaa enemmän kuin ilma painoyksikköä kohti. Sen ainoa haittapuoli on se, että se ei voi varastoida lämpöä yli 212 °F:n lämpötiloissa, ellei se ole paineen alaisena. Tämä rajoittaa sen käyttökelpoisuutta korkean lämpötilan sovelluksissa. Tämä rajoitus ei kuitenkaan yleensä ole ongelma kasvihuoneiden tilojen lämmityssovelluksissa ja muissa maataloudessa, kaupallisissa sovelluksissa tai asuintiloissa.

Määritelmän mukaan yksi brittiläinen lämpöyksikkö (BTU, British Thermal Unit) on lämpömäärä, joka tarvitaan nostamaan 1 paunan veden lämpötilaa 1°F. Gallona vettä painaa noin 8,3 paunaa, joten lämpöenergia, joka tarvitaan gallonan lämpötilan nostamiseen 100°F, on:

8,3 paunaa x 100°F = 830 BTU

Vertauksena, 8,3 paunan soran lämpötilan nostaminen 100°F:n lämpötilaan vaatisi vain noin 166 BTU:ta.

Kuten edellä on todettu, vettä ei voida lämmittää yli 212°F:n lämpötilaan ilmanpaineessa. Tämä lämpötila määrittää sen lämpömäärän ylärajan, jonka paineistamaton vesi voi varastoida. Alaraja määräytyy halutun kuormituslämpötilan mukaan. Jos esimerkiksi kasvihuoneen lämpötila halutaan pitää 65 °F:ssa, tämä lämpötila on alaraja. Ylä- ja alarajan erotus,

212°F – 65°F = 147°F

ilmaisee, kuinka paljon käyttökelpoista lämpöä tietty vesitilavuus voi varastoida.

Varastointilämpötilan vetäminen alas alarajaan ei ole käytännössä mahdollista. Lämmönsiirtonopeus kuormaan (esimerkiksi pattereista kasvihuoneen sisäilmaan) vähenee huomattavasti, kun lämmitetyn tuloveden lämpötila lähestyy kuorman ilman lämpötilaa. Tästä syystä on suotavaa pitää veden alempi varastointilämpötila vähintään 35 °F haluttua kuorman lämpötilaa korkeampana. Edellisessä esimerkissä alempi rajalämpötila olisi siis 100°F eikä lämpötilaero olisi 147°F, vaan

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Siten veden varastointilämpötila-alue on rajoitettu 112°F:iin. Tätä tietoa apuna käyttäen voidaan nyt määrittää, kuinka paljon varastointikapasiteettia tarvitaan.

Jos halutuksi lämpökuormaksi määritetään 200 000 BTU tunnissa ja halutaan, että tulipalon sammumisen jälkeen on käytettävissä 6 tuntia lämmitystä, vesimäärän on oltava riittävä varastoitavaksi:

200 000 BTU/h x 6 h = 1 200 000 BTU

Veden nostaminen yhdellä kilolla vettä 1°F:n lämpötilaan vaatii 1 BTU:n. Kukin vesipuntti voi varastoida vain 112 BTU:ta. Tarvittava vesimäärä on siis:

1 200 000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10 714 lb

Sen vuoksi, että vesi painaa 8,3 paunaa gallonaa kohti, 10 714 paunaa vettä vastaa 1 291 gallonaa.

Käytännössä veden maksimilämpötila ylittää harvoin 200°F; siksi tarvitaan hieman suurempi varastointikapasiteetti kuin 1 291 gallonaa.

Näissä laskelmissa oletetaan, että säiliöstä tai putkista, jotka kuljettavat vettä kuormaan ja sieltä pois, ei häviä lämpöä. Nämä häviöt voivat olla merkittäviä riippuen siitä, kuinka hyvin putket on eristetty, etäisyydestä säiliöstä kuormaan ja ulkolämpötilasta.

On erittäin hyvä idea asentaa lämpömittari säiliön poistolinjaan. Se antaa tarkan osoituksen veden lämpötilasta säiliön sisällä. Veden lämpötilan lasku yli 20°F tunnissa on hyvä osoitus siitä, että vesisäiliö on liian pieni, sillä lämminvesijärjestelmän tarkoituksena on tarjota jatkuva lämmönlähde ilman, että tulta tarvitsee jatkuvasti sytyttää.

On myös hyvä ajatus asentaa lämpömittari kuorman molemmin puolin oleviin linjoihin – esimerkiksi patterin tai patteririvin tulo- ja poistolinjoihin. Näin voidaan määrittää paitsi se, kuinka paljon energiaa häviää säiliön ja kuorman välillä, myös se, kuinka tehokkaasti patterit ottavat lämpöä vedestä.

Järjestelmän optimaalista suunnittelua varten varastointikapasiteetin on perustuttava polttimen suurimpaan nimellistehoon, tarvittavaan lämpökuormitukseen ja polttoaineen latausten välillä haluttuun enimmäisaikaan. Seuraava keskustelu havainnollistaa, miten nämä kolme tekijää vaikuttavat toisiinsa.

Yllä olevan esimerkin mukaisesti oletetaan, että tarvittava keskimääräinen lämpökuorma on 200 000 BTU tunnissa. Tämä tarkoittaa, että tyypillisen käyttötunnin aikana tarvitaan 200 000 BTU lämpöä. On todennäköistä, että keskellä hyvin kylmää yötä tarvittava lämpömäärä ylittää tämän määrän. Jotta lämpöä olisi riittävästi käytettävissä, polttimen kapasiteetin on kuitenkin oltava vähintään yhtä suuri kuin keskimääräinen kuormitus lisättynä häviöillä. Käytännön kannalta on suositeltavaa, että poltin mitoitetaan puolitoista tai kaksi kertaa keskimääräistä lämpökuormaa suuremmaksi. Suuremmalla polttimella voidaan tuottaa lämpöä sekä varastointiin että välittömään käyttöön aikoina, jolloin kuormitus on keskimääräinen.

Lämpimään käyttöveteen varastoidun energian (säiliövaraaja) lisäksi järjestelmään on mahdollista varastoida lämpöenergiaa myös polttamattoman puun muodossa. Tätä kutsutaan tulipesävarastoksi. Hyvin kylmää yötä odotellessaan kasvihuoneen käyttäjä saattaa lämmittää järjestelmää koko päivän ajan, jotta veden lämpötila nousee vähitellen lähelle 212 °F:n lämpötilaa. Vaikka vesi sisältää jo lähes maksimilämpömääränsä, käyttäjä saattaa täyttää tulipesän uudelleen juuri ennen yöksi lähtöä. Tämä lisäpolttoaine lisää energiaa järjestelmään. Palava polttoaine saattaa juuri korvata poistuvaa lämpöä ja siten ylläpitää korkeaa veden lämpötilaa. Jos lisäpolttoaine kuitenkin lisää lämpöä liian nopeasti, säiliössä oleva vesi kiehuu ja energiaa menee hukkaan höyrynä.

On epätodennäköistä, että lämminvesijärjestelmä altistuisi varsinaisen käytön aikana hyvin suurille kuormituksen vaihteluille. Toisin sanoen sen ei tarvitsisi tuottaa maksimitehoa yhtenä tuntina ja seuraavana tuntina ei yhtään. Päinvastoin, päivän aikana tapahtuu yleensä asteittaisia lisäyksiä ja vähennyksiä ulkolämpötilan ja monien muiden tekijöiden muuttuessa. Toisaalta tulipalon järjestelmään syöttämä lämpö on yleensä melko satunnaista riippuen siitä, kuinka paljon ja kuinka usein polttoainetta lisätään. Lämminvesijärjestelmän arvo perustuu osittain sen kykyyn varastoida lämpöenergiaa nopeasti, mutta luovuttaa sitä hitaasti ja hallitusti.

Jos poltin tuottaa enemmän lämpöä kuin järjestelmä käyttää, ylimääräinen lämpö varastoituu edellyttäen, että varastointikapasiteettia ei ole ylitetty. Varastointikapasiteetin ylittäminen aiheuttaa veden kiehumisen. Tällöin ylimääräinen tuotettu lämpö poistuu järjestelmästä höyryn muodossa. Veden kiehumiseen tarvittava energia menee yksinkertaisesti hukkaan. Usein toistuva kiehuminen kuumavesijärjestelmässä osoittaa, että poltin on liian suuri tai sitä käytetään liian usein tai että järjestelmän lämmönvarastointikapasiteetti on liian pieni.

Jos lämmönvarastointikapasiteetti on riittämätön, yksi ratkaisu on lisätä toinen säiliö. Tandemisäiliö sijoitetaan yleensä mahdollisimman lähelle pääsäiliötä, ja se liitetään toisiinsa tulo- ja poistoputkella sekä pumpulla (kuva 3). Tällä tavoin varastointikapasiteettia voidaan melko helposti lisätä ilman, että muu järjestelmä häiriintyy. Vettä on aina pumpattava jatkuvasti näiden kahden säiliön välillä, jotta lämpö jakautuisi tasaisesti. Tämä voidaan tehdä lisäämällä ylimääräinen pumppu tai käyttämällä osa olemassa olevan pumpun virtauksesta, jos siinä on ylikapasiteettia.

Lämpimän veden järjestelmät eivät ole höyryjärjestelmiä, eli järjestelmässä ei ole koskaan muuta painetta kuin pumppujen tuottama paine. Kuumavesisäiliö on tuuletettava, jotta paine ei pääse muodostumaan, kun vesi kuumenee ja laajenee tai muuttuu höyryksi. Ilman tuuletinta oleva säiliö on erittäin vaarallinen. Säiliön yläosassa on oltava vähintään kaksi tuuletusaukkoa. Vielä parempi on, että säiliön yläosaan rakennusvaiheessa yleensä leikattava tarkastuskaivo voidaan jättää auki, mutta peittää se peltilevyllä.

Eristäminen

Säiliö ja kaikki putket on eristettävä lämmön karkaamisen estämiseksi. Ulkona oleviin säiliöihin sopii ruiskutettu polyuretaanieriste, varsinkin jos se on maalattu ja suojattu suoralta altistumiselta tulelle ja auringonvalolle. Noin 1 tuuman paksuinen pinnoite, jonka eristysluku on R-7, maksaa noin 1 dollaria neliöjalkaa kohti. Esimerkiksi halkaisijaltaan 64 tuuman ja 12 jalan pituisen 2 000 gallonan säiliön eristys maksaa noin 250 dollaria. Taulukossa 4 on esitetty eri paksuisten polyuretaanipinnoitteiden arvioitu eristysarvo säiliöissä.

Tämä taulukko osoittaa, että vähimmäismäärän eristeen levittämisestä aiheutuvat kustannukset voidaan helposti perustella energiakustannusten säästöillä. Yli 1⁄2 tuuman paksuisen eristyksen lisäkustannuksia on kuitenkin vaikea perustella.

Vaihtoehtona on sijoittaa järjestelmä peltikaton alle, jossa se voidaan eristää suhteellisen edullisilla lasikuitulevyillä. Lasikuitulevy, jossa voi olla alumiinifolio taustana, voidaan pitää paikallaan suurella kanalankaverkolla. Vajan, eristeen, kalvon, langan ja työvoiman kustannukset voivat olla suuremmat kuin ruiskutetun polyuretaanieristeen kustannukset, mutta tämäntyyppinen eriste kestää todennäköisesti paljon kauemmin ja antaa paremman R-arvon.

Ruosteenesto

Säiliön ja putkien sisäpuolisten osien suojaamiseksi korroosiolta on suositeltavaa käyttää jonkinlaista ruostesuojausta. Saatavilla on useita kaupallisia kemikaaleja, jotka on tarkoitettu käytettäväksi pääasiassa korkean lämpötilan kattiloissa. Joitakin näistä olisi melko kallista ostaa sellainen määrä, joka on tarpeen keskikokoisen kuumavesijärjestelmän suojaamiseksi.

Yksi menetelmäksi, joka on todettu riittäväksi kuumavesijärjestelmissä, on lisätä tiettyjä suhteellisen edullisia kemikaaleja veden pH:n nostamiseksi. Näitä ovat kaliumkarbonaatti, natriumkarbonaatti (pesusooda) ja natriumheksametafosfaatti (Calgon). Nämä kemikaalit estävät korroosiota pinnoittamalla järjestelmien metalliseinät. Edellä mainituista kemikaaleista Calgon toimii parhaiten. Sitä voi ostaa useimmista ruokakaupoista. Käytä 5 naulaa jokaista 1 000 gallonaa vettä kohti. Normaaliolosuhteissa mikään näistä kemikaaleista ei hajoa ja näin ollen ne pysyvät aktiivisina järjestelmässä pitkään.

Tuliputket

Vaikka jonkin verran lämpöä siirtyy veteen tulipesän seinämien kautta, pääasiallinen lämpöreitti tulesta veteen kulkee tuliputkien kautta. Useimmat järjestelmät on suunniteltu siten, että tulen luovuttamat kuumat kaasut kulkevat polttoputkien läpi, jotka kulkevat varastosäiliön toisesta päästä toiseen. Monissa järjestelmissä kaasut ohjataan kulkemaan säiliön läpi useammin kuin kerran.

On erittäin tärkeää, että paloputkien määrä ja koko on riittävä, jotta suurin osa lämmöstä siirtyy kuumista kaasuista veteen ennen kuin kaasut poistuvat. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että kutakin 2 000 BTU:n nimellistehoa kohti tarvitaan noin 1 neliöjalka lämmönvaihtopinta-alaa. Jos järjestelmä on esimerkiksi mitoitettu tuottamaan 200 000 BTU tunnissa, tarvitaan noin 100 neliöjalkaa lämmönvaihtopinta-alaa. Tämä pinta-ala voi sisältää tulipesän vesijäähdytetyn pinnan sekä itse tuliputket. Näitä molempia alueita kutsutaan usein tulipinta-alaksi.

Pinta-alan laskennassa käytetään tuliputkien ulkohalkaisijaa. Taulukossa 5 luetellaan useita yleisesti käytettyjä standardiputkien kokoja sekä niiden todellinen ulkohalkaisija ja juoksujalkojen määrä, joka tarvitaan, jotta saadaan 1 neliöjalka pinta-alaa.

Käytettävän putken oikea koko riippuu useista tekijöistä. Esimerkkijärjestelmässä, jonka kapasiteetti on 200 000 BTU tunnissa, tarvitaan 100 neliöjalkaa lämmönvaihtopinta-alaa. Taulukon 1 perusteella suositeltava tulipesän tilavuus on 9 kuutiometriä. Sopiva tulipesä, jolla on tämä tilavuus, olisi 11⁄2 jalkaa pitkä, 2 jalkaa leveä ja 3 jalkaa korkea. Tämän tulipesän pinta-ala on 27 neliöjalkaa (vesijäähdytteinen luukku mukaan luettuna). Näin ollen tulipesän pinta-ala olisi 27 neliöjalkaa tarvittavasta 100 neliöjalasta. Tuliputkien on tarjottava loput 73 neliöjalkaa.

Taulukon 5 kolmannessa sarakkeessa olevat luvut kerrotaan taulukon 5 kolmannessa sarakkeessa olevilla luvuilla, jotta saadaan selville halutun pinta-alan tuottamiseen tarvittava halkaisijaltaan tietyn putken pituus. Jos esimerkiksi valitaan 11⁄2-tuumainen putki, kerrotaan 73 suoraa jalkaa 2,01:llä:

73 jalkaa x 2,01 jalkaa/neliöjalkaa = 146,72 jalkaa

Lämmönvaihtopinta-alan saamiseksi 73 neliöjalkaa tarvitaan noin 147 suoraa jalkaa 11⁄2-tuumaista putkea. Toisaalta, jos käytät 3-tuumaista putkea, tarvitset vain noin 80 jalkaa:

73 jalkaa x 1,09 jalkaa/neliöjalkaa = 79,73 jalkaa

Kumpi koko on paras? Puhtaasti kustannusten kannalta tarkasteltuna ei ole suurta eroa 147 jalan 11⁄2-tuumaisen putken ja 80 jalan 3-tuumaisen putken välillä. Suuremman putken hitsaaminen on kuitenkin paljon helpompaa. Lisäksi putken sisäpuoli on puhdistettava aika ajoin tuhkan, noen ja muiden saostumien poistamiseksi. Suuremman putken lyhyemmän pituuden puhdistaminen on helpompaa. Suurempi määrä pienempiä putkia olisi kuitenkin jonkin verran tehokkaampi lämmönsiirron kannalta. Kokemus on osoittanut, että 2- tai 3-tuumainen putki toimii kaiken kaikkiaan parhaiten.

Tuhkan laskeumat polttoputkissa vähentävät lämmönsiirtonopeutta huomattavasti. On hyvä olla jokin tapa määrittää, kuinka hyvin ne toimivat. Yksi parhaista ja edullisimmista menetelmistä on sijoittaa korkean lämpötilan lämpömittari kohtaan, jossa kaasut poistuvat tuliputkista ja lähtevät piippua ylöspäin. Mitä lähempänä veden lämpötila on, sitä tehokkaammin polttoputket siirtävät lämpöä. Kaasun lämpötila 300-350 °F osoittaa tehokasta lämmönsiirtoa. Yli 450°F:n kaasulämpötila osoittaa, että lämmönsiirtopinta-ala on liian pieni tai polttoputket ovat pinnoittuneet.

Stratifikaatio

Keskikokoisissa ja suurissa järjestelmissä esiintyy toisinaan outo tilanne. Vaikka tulipesää sytytetään jatkuvasti ja veden voidaan nähdä kiehuvan säiliön yläosasta, säiliöstä jakelua varten otettavan veden lämpötila on vain 170-180 °F. Tämä tilanne syntyy järjestelmissä, joissa tulo- ja poistoaukko ovat lähellä säiliön pohjaa eikä käytössä ole ylimääräistä kiertovesipumppua, joka pitäisi veden liikkeessä. Tilannetta kutsutaan kerrostuneisuudeksi, ja se syntyy, kun eri lämpötiloissa oleva vesi erottuu eri kerroksiksi, ja lämpimin vesi jää ylimpään kerrokseen. Kerrostumista voi esiintyä missä tahansa järjestelmässä, mutta se on yleensä voimakkaampaa suurissa järjestelmissä.

Veden tiheys 100°F:n lämpötilassa on noin 3,5 prosenttia suurempi kuin 200°F:n lämpötilassa. Aivan kuten ilma, kuuma vesi nousee ja kylmä vesi vajoaa. Kerrostumisen estämiseksi vesi on pidettävä liikkeessä. Yksi tapa on liittää paluuputket säiliön yläosaan tulipesän yläpuolelle (järjestelmän kuumimpaan osaan) ja ottaa vettä säiliön alaosasta toisessa päässä. Tämän lähestymistavan ongelmana on, että jakelupumput eivät välttämättä käy koko ajan ja kerrostumista voi tapahtua, kun pumput ovat pois päältä.

Parempi ratkaisu on asentaa jatkuvasti käynnissä oleva lisäkiertopumppu, joka siirtää vettä säiliön kylmimmästä osasta kuumimpaan. Veden jatkuva sekoittuminen estää kerrostumisen. Kiertovesipumpun ei tarvitse olla suuri, koska veden korkeus on hyvin pieni. Sen pitäisi pystyä pumppaamaan 0,2-0,5 kertaa järjestelmän kapasiteetti tunnissa. Esimerkiksi 2 000 gallonan järjestelmässä olisi oltava pumppu, joka pystyy pumppaamaan 400-1 000 gallonaa tunnissa. 1⁄6-1⁄2-hevosvoimainen sähköpumppu on yleensä riittävä.

Kuva 3. Lisäsäiliö lisää varastointikapasiteettia.

×

Kuva 3. Lisäsäiliö lisää varastointikapasiteettia.