Ogrzewanie podłogowe

Napriek faktom, że sálavé veľkoplošne podłogowe ogrzewanie z ciepłym powietrzem w kanałach podłogi jest już znane od ponad dwóch tysięcy lat, a zaś ciepłowodne sálawo-vełkopłaszczowe ogrzewanie z wbudowanymi w konstrukcję budowlaną (strop, ściana i podłoga) rurami grzewczymi od prawie 100 lat, w realizacji dominują systemy grzewcze z tradycyjnymi grzejnikami i z konwekcyjnym oddawaniem ciepła do wnętrza.

 

Tak więc podstawowe pytanie brzmi: dlaczego ogrzewanie konwekcyjne a nie promieniowe?

 

OGREWANIE PROMIENIOWE

 

Podczas ogrzewania promieniowego wnętrz wykorzystuje się promieniowanie cieplne powierzchni grzewczej (ciała), które bezpośrednio, tzn. bez udziału powietrza wewnątrz, ogrzewa otaczające konstrukcje budowlane wnętrz i tylko bardzo małą część strumienia ciepła powierzchnia promieniująca oddaje konwekcją bezpośrednio do powietrza w ogrzewanym wnętrzu (czyli odwrotnie niż ogrzewanie konwekcyjne wnętrza konwekcyjnym grzejnikiem). Dlatego też temperatury powierzchni wewnętrznych konstrukcji budowlanych tworzących wnętrze są przy ogrzewaniu promieniowym wyższe niż temperatura powietrza w tak ogrzewanym wnętrzu (znowu odwrotnie niż przy ogrzewaniu konwekcyjnym wnętrz).

 

Promienie cieplne, które emituje (promieniuje) powierzchnia grzewcza ciał stałych (promieniujących powierzchni grzewczych) są właściwie falami elektromagnetycznymi o długości fali 0,78 do 400, tzn. w zakresie podczerwieni spektrum fal elektromagnetycznych, rozchodzące się z prędkością 300 000 km/s.

 

 

 

 

ROZCHODZENIE SIĘ CIEPŁA PRZY OGRZEWANIU PROMIENIOWYM

 

Podczas rozwiązywania teoretycznego problemu systemów grzewczych w wnętrzach obiektów budowlanych należy zawsze określić moc grzewczą, czyli strumień ciepła, który jest potrzebny do zapewnienia wymaganej komfortowości cieplnej dla człowieka - użytkownika.

 

Moc grzewcza w technice grzewczej najczęściej oblicza się z warunków równowagi cieplnej ogrzewanego pomieszczenia (interioru, pokoju itp.) w stanie ustalonym. Właśnie przy tym obliczeniu należy zasadniczo odróżnić ogrzewanie konwekcyjne (gdzie grzejnik oddaje do ogrzewanego wnętrza strumień ciepła głównie konwekcją) i ogrzewanie promieniowe, czyli podłogowe ogrzewanie (gdzie powierzchnia grzewcza oddaje strumień ciepła do ogrzewanego wnętrza głównie promieniowaniem).

 

Z powyższych rozważań wynika, że przy sposobie promieniowym ogrzewania powierzchnia grzewcza oddaje strumień ciepła promieniowaniem - bez udziału powietrza wewnątrz otaczającym chłodzonym powierzchniami wnętrza, przy czym obowiązuje, że temperatura efektywna (tj. średnia temperatura otaczających powierzchni) jest większa niż temperatura powietrza.

 

Jest więc jasne, że przy ogrzewaniu promieniowym istotna część ciepła rozchodzi się promieniowaniem, a tylko niewielka ilość strumienia ciepła oddaje konwekcją. Dlatego przy obliczaniu mocy grzewczej musimy określić:

- równowagę cieplną promieniującej powierzchni grzewczej,

- równowagę cieplną powietrza,

- równowagę cieplną promieniującej powierzchni grzewczej i powietrza,

- równowagę cieplną ogrzewanego pomieszczenia.

 

RODZAJE OGRZEWANIA PROMIENIOWEGO

 

Obecnie możemy podzielić ogrzewanie promieniowe w ten sposób:

- wielkopłaszczowe ogrzewanie (sufitowe, ścianowe i podłogowe powierzchnie grzewcze), znane jako podłogowe ogrzewanie

- całkowite ogrzewanie zawieszonymi panelami promieniowymi,

- indywidualne ogrzewanie bliskimi płytkami (panelami promieniowymi),

- ogrzewanie promieniowymi grzałkami podczerwonymi.

 

Z podziału widać, że zasadniczo promieniująca powierzchnia grzewcza może być umieszczona w konstrukcji budowlanej jako jej nieodłączna część (wielkopłaszczowe systemy grzewcze) lub jest tworzona jako samodzielna powierzchnia grzewcza swobodnie umieszczona w przestrzeni (panele promieniujące, płyty grzewcze, podczerwone grzałki).

 

Jeśli wychodzimy z powyższej różnicy konstrukcyjnej, to są zasadnicze różnice również pod względem temperatury powierzchni grzewczych, co następnie wpływa na wybór nośnika ciepła i jego temperaturę, a na koniec również związanym z tym specyficznym cieplnym wydajnością promieniującej powierzchni grzewczej.

 

WIELKOPŁASZCZOWE OGRZEWANIE PROMIENIOWE

 

Powierzchnia grzewcza przy wielkopłaszczowym ogrzewaniu promieniowym jest zazwyczaj jedną ze ścian ograniczających ogrzewany przestrzeń, a więc sufitem, ścianą lub podłogą.

 

Temperatura powierzchni grzewczej musi być stosunkowo niska (40 do 45 °C przy suficie, 55 do 60 °C przy ścianie i 25 do 30 °C przy podłodze), z czego wynika, że również temperatura nośnika będzie niska. Powierzchnia grzewcza może być ogrzewana :

- ciepłą wodą (najczęściej),

- ciepłym powietrzem,

- elektrycznie (rezystancyjnie).

 

Z powyższego wynika, że systemy wielkopłaszczowego ogrzewania promieniowego działają z niskimi temperaturami nośnika ciepła. Te niskotemperaturowe systemy są odpowiednie do wykorzystania energii uzyskanej z niskopotencjalnych źródeł energetycznych, którymi są wody geotermalne, energia słoneczna, odpadowe ciepło i ciepło otoczenia. Powierzchnią grzewczą przy wielkopłaszczowym ogrzewaniu jest jedna ze ścian ograniczających ogrzewany przestrzeń. Według wykorzystanej powierzchni dzielimy wielkopłaszczowe systemy na:

- podłogowe ogrzewanie

- sufity

- ściany.

 

Od ogrzewania konwekcyjnego grzejnikami wielkopłaszczowe ogrzewanie promieniowe różni się sposobem transportu ciepła i cieplnymi proporcjami w pomieszczeniu. Przy konwencjonalnym ogrzewaniu grzejnik ogrzewa powietrze w pomieszczeniu, które oddaje ciepło ścianom. Temperatura wewnętrznego powietrza jest wyższa niż temperatura ścian. W pomieszczeniu powstaje charakterystyczne przepływanie powietrza i w jego wyniku stosunkowo duży rozrzut temperatur powietrza pod sufitem i przy podłodze.

 

Przy wielkopłaszczowym ogrzewaniu transport ciepła odbywa się promieniowaniem i konwekcją. Udział ciepła promieniowanego przy suficie wynosi 80%, przy ścianie 65%, a przy podłodze 55%.

 

Konstrukcyjne wykonanie powierzchni grzewczej jest bardzo zróżnicowane. Zasadniczo wyróżniamy dwa podstawowe rozwiązania:

- powierzchnia grzewcza jest wbudowana, czyli jest nieodłączną częścią konstrukcji budowlanej,

- powierzchnia grzewcza jest samodzielna, jest to grzewcza płyta, a to:

- albo zamontowana na jednej z konstrukcji budowlanych,

- albo umieszczona swobodnie w ogrzewanym wnętrzu.

 

W pierwszym przypadku powierzchnia konstrukcji budowlanej jest grzana ciepłą wodą przepływającą rurkami (rejestrami), przy czym te rurki są wbudowane w konstrukcję budowlaną. Przy wykonaniu ogrzewania promieniowego dopiero dodatkowo, w zakończonej budowie, zawiesza się grzewcze rurki pod nośnym sufitem, a w podwieszeniu zakrywa warstwą tynku. Promieniujące płyty grzewcze, które są montowane na konstrukcje budowlane w pomieszczeniu (lub swobodnie w przestrzeni), są najczęściej metalowe lub ceramiczne i szklane. Te płyty są grzane najczęściej elektrycznie.

 

WIELKOPŁASZCZOWE OGREWANIE PODŁOGOWE

 

Jeśli rura grzewcza (rejestr) jest częścią podłogi danego wnętrza, mówimy o wielkopłaszczowym ogrzewaniu podłogowym. Obecnie jest to system grzewczy, który ze względu na wiele pozytywnych właściwości, przechodzi pewną renesans i coraz częściej zaczyna być stosowany w budownictwie mieszkaniowym (najbardziej w domach jednorodzinnych), w obiektach użyteczności publicznej (szkołach przedszkolnych, przedszkolach, salach gimnastycznych, basenach itp.), a także w dużych halach (garaze zbiorowe, zakłady przemysłowe, budynki rolnicze).

 

Wielkopolowe ogrzewanie podłogowe stosowano dawniej jako uzupełnienie ogrzewania sufitowego, jeśli powierzchnia sufitu nie wystarczała do pokrycia strat ciepła. Zwiększonemu zastosowaniu ogrzewania podłogowego przeszkadzała również konieczność utrzymania niskiej temperatury powierzchni podłogi, co wiązało się z niską mocą cieplną. Nowe konstrukcje, architektoniczne rozwiązania, poprawa właściwości cieplno-technicznych budynków oraz nowoczesne materiały konstrukcyjne do wykonania systemów grzewczych umożliwiły powstanie wielu systemów ogrzewania podłogowego.

 

Wybór ogrzewania podłogowego jest w pierwszym rzucie determinowany samym obiektem. Musi on spełniać właściwości cieplno-techniczne tak, że średnie straty ciepła powinny być mniejsze niż 20 W/m³, przy średniej rocznej zużyciu ciepła niższym niż 70 do 80 kWh/m². Z powyższego wynika, że minimalna zużycie energii wynika przede wszystkim z samego obiektu, następnie z trybu eksploatacji z możliwością akumulacji ciepła w podłodze z cieplną bezwładnością około 4 do 8 godzin oraz z wysokim stopniem samo-regulacji.

 

Optymalny stan cieplny wnętrz z ogrzewaniem podłogowym jest zwykle zapewniony o 2 do 4 K niższymi temperaturami końcowymi niż przy ogrzewaniu konwekcyjnym, jednocześnie z prawie idealnym pionowym i poziomym gradientem temperatury.

 

OGRZEWANIE PODŁOGOWE WODY CIEPŁEJ

 

Z powyższego stwierdzenia wynika, że ogrzewanie podłogowe wody ciepłej należy do systemów promieniowania cieplnego, przy czym udział promieniowania w całkowitym przenoszeniu ciepła z powierzchni grzewczej jest tylko nieco wyższy niż strumień ciepła konwekcji (55 % : 45 %). Jednocześnie bardzo korzystnie wzajemnie wpływa to na zalety obu sposobów transferu ciepła do wnętrza.

 

Ogrzewanie podłogowe wody ciepłej jest jednocześnie wielkopolowe, tzn. rury grzewcze są częścią konstrukcji podłogi. Ze względu na higieniczne wymagania związane z ograniczoną temperaturą powierzchni podłogi, a tym samym stosunkowo niższymi specyficznymi mocami cieplnymi podłogi grzewczej, rury grzewcze są praktycznie zawsze ukryte pod całą powierzchnią podłogi. To wyjątkowo korzystnie wpływa na jednostajność przenoszenia ciepła w pomieszczeniu i sprzyja tworzeniu jednorodnego, temperaturowo jednolitego środowiska, zarówno w pionie jak i poziomie.

 

Temperatura wody grzewczej jest zazwyczaj niższa niż 50 °C, co jednocześnie pozwala mówić o ogrzewaniu podłogowym wody ciepłej jako o niskotemperaturowym, co ma wiele zalet. Po pierwsze zapewnia istotne oszczędności energii cieplnej w eksploatacji, po drugie umożliwia zastosowanie nietradycyjnych, niskopotencjalnych źródeł energii, jak promieniowanie słoneczne, energia wód geotermalnych, a także pompy ciepła wykorzystujące ciepło środowiska.

 

Właśnie te fakty zaliczają ogrzewanie podłogowe wody ciepłej do postępowych systemów grzewczych, gwarantujących wszystkie trzy E, tzn. energetyczne, środowiskowe i ekonomiczne aspekty ogrzewania budynków. Z drugiej strony, mimo istnienia takiego sposobu ogrzewania już ponad 2000 lat temu, dochodzi do jego największego rozwoju i renesansu właśnie dziś.

 

Dlatego konieczne jest teoretyczne jednoznaczne zdefiniowanie zasad praktycznego zastosowania ogrzewania podłogowego wody ciepłej, co wiąże się z wyborem, obliczeniem, projektowaniem, oceną, konstrukcją, montażem, regulacją, eksploatacją i zastosowaniami.

 

WYBÓR BUDYNKÓW DO OGRZEWANIA PODŁOGOWEGO

 

Ponieważ nie każdy obiekt budowlany jest odpowiedni do zastosowania systemu ogrzewania podłogowego, konieczne jest, aby przy wyborze budynku zapewnić wymagania:

- cieplno-techniczne,

- higieniczne,

- energetyczne.

 

 

OKREŚLENIE KLUCZOWYCH WIELKOŚCI CIEPLNO-TECHNICZNYCH

 

Właściwości cieplno-techniczne konstrukcji budowlanych i budynków zapewniają wielkości:

- oporu cieplnego konstrukcji budowlanych,

- tłumienia temperaturowego konstrukcji budowlanych,

- cieplnej pojemności konstrukcji podłogowych,

- ilości skondensowanej i odparowanej pary wodnej w konstrukcjach budowlanych,

- przepuszczalności powietrza konstrukcji budowlanych, ich szczelin stykowych,

- cieplnej stabilności pomieszczenia,

- zużycia energii na ogrzewanie.

 

Przy projektowaniu konstrukcji budowlanych i budynków zdefiniowanych stanem wewnętrznym środowiska wymagane są kryteria minimalnej temperatury powierzchni wewnętrznej zgodnie z § 3 STN 73 0540 oraz maksymalnego zużycia energii na ogrzewanie zgodnie z § 21 STN 73 0540.

 

 

RURY GRZEWNE

 

Najważniejszym elementem podłogi grzewczej są rury grzewne, dlatego dalej szczegółowo charakteryzujemy:

- rury grzewne,

- rury do ogrzewania podłogowego.

 

 

 

 

RURY GRZEWNE

 

Obecnie przy ogrzewaniu centralnym najczęściej stosujemy ten materiał rur:

- rury metalowe,

- rury plastikowe,

- rury złożone.

 

 

RURY METALOWE

 

Stosuje się stal (czarną), ocynkowaną, nierdzewną i miedź. Różnorodny jest materiał kształtek i połączeń (stal odlewana, mosiądz, brąz, czerwoną stali itd.). Różnorodność materiałów jest przyczyną korozyjnego kontaktu, który ma duży wpływ na trwałość instalacji grzewczej.

 

a) Rury stalowe

Należą do klasycznych materiałów rur. Najczęściej stosuje się gładkie, bezszwowe rury stalowe. Spajanie ustabilizowało się na spawaniu, a przestrzenne zmiany w sieci rur tworzy się przez zginanie w ciepłym stanie. Śrubowe połączenia stosuje się tylko do przyłączenia armatury i grzejników. Dzięki ponadstuletnim doświadczeniom udało się usunąć większość wad. Pozostała tylko duża wymagania do spawalnictwa. Przyczyną, dla której obecnie nie wprowadza się cienkowarstwowych, zamkniętych stalowych profili prostokątnych, jest to, że spawanie lustrzane nie jest popularne i dziś już nie jest powszechnie opanowane.

 

b) Rury stalowe ocynkowane

Rury stalowe ocynkowane są jednym z najstarszych materiałów rur, które jednak wymagają perfekcyjnego ręcznego przetwarzania. Grubość i jakość warstwy cynku nie są zawsze jednakowe. Przy zastosowaniu nowoczesnych frezów do gwintowania często dochodzi do znacznego lokalnego osłabienia nośnej części rury. Ta okoliczność w połączeniu z usunięciem ocynkowanego powierzchni jest przyczyną pęknięciowej korozyjnej. Ponieważ śrubowe połączenia wymagają specjalistycznej wiedzy i są czasowo wymagające, z zamiarem zastępuje się je spawaniem. Można jednak stwierdzić, że zastosowanie grubościennego rur jest już na spadku.

 

c) Rury nierdzewne

Z pozoru idealne rury nierdzewne napotykały przy realizacji na problem połączenia. Spawanie w tym przypadku wymaga bardzo specjalistycznego technologicznego procesu, ponieważ w przeciwnym razie dochodzi do niepożądanych transkryształowych odkształceń. Podobnie jak przy spajaniu twardej srebrem często występuje niebezpieczeństwo korozyjne w strefie kontaktu lutowego z powierzchnią nierdzewną. Dopiero na początku lat siedemdziesiątych nastąpił przełom, kiedy firma Mannesmann opracowała łączenie rur nierdzewnych zaciskami z autentycznej nierdzewnej stali.

 

Ten rodzaj techniki łączenia stopniowo rozszerzył się również na inne typy rur (np. z tworzywa sztucznego, gdzie najczęściej stosuje się mosiężne złączki zaprasowywane). Zaprasowywanie złączki specjalnym ręcznym narzędziem elektrycznym tworzy w ciągu około 6 sekund wodoodporny połączenie między rurą a złączką. Jedyne słabe miejsce wydaje się być zprasowany uszczelkujący okrągły pierścień, umieszczony na końcu złączki, który jest zazwyczaj wykonany z butylokauczuku. Opinie na temat trwałości tego materiału różnią się, a do tej pory nie nabyto jeszcze wystarczająco długich doświadczeń.

 

d) Rury miedziane

Miedź należy do najbardziej szlachetnych materiałów rur. Wymaga jednak zasadniczo dokładnego stosowania dawki inhibitora do wody grzewczej. Reakcją wody z powierzchnią miedzianą powstaje zarówno warstwa ochronna tlenku miedzi, jak również uwalniają się jony miedzi. Gdy z braku wiedzy lub z konieczności za sekcją miedzianego rurociągu zostanie umieszczony rurociąg stalowy (nawet ocynkowany) lub aluminium, dojdzie do intensywnego korozji tej powierzchni. Tutaj może pomóc odpowiedni inhibitor.

 

Bardzo ważnym procesem roboczym jest łączenie miedzianego rurociągu. Łączy się bardzo korzystnie lutowaniem miękkim lub twardym. Lutowanie miękkie odbywa się w zależności od rodzaju użytego lutu w temperaturze 230–240 °C, a lutowanie twarde w temperaturze 710–730 °C. Te temperatury należy zawsze bezwzględnie przestrzegać. Stosuje się tylko wodoodporne luty, których resztki są spłukiwane z rurociągu.

 

Przy przestrzeganiu warunków łączenia i stosowaniu dezoksydowanej miedzi SF-Cu z zawartością miedzi co najmniej 99,9% gwarantuje się wysoką odporność na korozję i wystarczającą wytrzymałość nawet cienkościennej rury. Montaż jest stosunkowo prosty i szybki. Rurociąg można stosować przy ciśnieniach roboczych do 4 MPa i temperaturach roboczych do 150 °C.

 

 

RURY Z TWORZYWA SZTUCZNEGO

 

Z rur odpowiednich do ogrzewania centralnego należy odróżniać systemy ogrzewania podłogowego i klasyczne. Systemy podłogowe wymagają dużej elastyczności rur pętli oraz są mniej obciążone cieplnie w porównaniu do klasycznych systemów grzewczych.

 

Do ogrzewania podłogowego odpowiednie są typy PB, PE-X, PVC-C, PP-R. W tym kontekście należy pamiętać, że dla typu PVC maksymalna temperatura robocza wynosi tylko 60 °C, a dla PVC-C temperatura robocza trwała wynosi 90 °C, a okresowo 110 °C. Podobny zakres dotyczy PB, PE-X i PP-R. Szczególną pozycję zajmuje PVDF, który można stosować w zakresie do 140 °C. W miarę upływu czasu niektóre wartości muszą być koniecznie precyzyjnie uściślone. Wiadomo było, że halogeny (fluor, chlor, brom, jod) reagują z PE i dochodzi do zmian molekularnych, do zwiędnienia materiału i utraty wytrzymałości już w temperaturze 20 °C. W USA stwierdzono teraz, że dochodzi do starzenia się i destrukcji PB po długotrwałym stosowaniu pod wpływem działania chloru. To stwierdzenie jednak nie można w pełnym zakresie zastosować do naszych warunków, ponieważ stężenie chloru w wodzie w USA jest znacznie wyższe (aż 2 ppm).

 

Główną zaletą rur z tworzywa sztucznego jest ich prosta i szybka montaż. Łączą się przez klejenie (PVC), spajanie (PB, PE, PP), lub przez nippel i połączenia śrubowe (PB, PE-X, PP).

 

Główną wadą rur z tworzywa sztucznego jest mała odporność na ciśnienie przy wyższych temperaturach, mała sztywność (przestrzenna trwałość kształtu) oraz szczególnie duża rozszerzalność cieplna długości. W porównaniu do nierdzewnej stali rozszerzalność przy PB wynosi 10 razy, przy PP 12 razy, przy PE 14 razy, a przy PE-LO nawet 23 razy większa. Tę okoliczność należy uwzględniać przy rozwiązywaniu mocowania i prowadzenia rur z tworzywa sztucznego. Bez ciągłych podpór i eliminacji rozszerzalności rurociągu kompensacją, rury z tworzywa sztucznego nie powinny być wcale montowane.

 

RURY WIELOWARSTWOWE Z WŁOŻKĄ METALOWĄ

 

Inny kierunek rozwoju wynikał z zaobserwowania, że pełną ochroną przed dyfuzją tlenu jest metal. Na tej podstawie powstały wielowarstwowe rury z tworzywa sztucznego z włożką metalową. Do tej pory najbardziej się ugruntowały dwa podstawowe typy:

a) Jeden typ z wbudowanym wewnątrz spajanym wzdłuż srebrnym płaszczem grubości około 0,5 mm. Te rury składają się z wewnętrznego płaszcza z tworzywa sztucznego (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), z warstwy pośredniej z lepkiem, z spajanego płaszcza aluminiowego, ponownie z warstwy pośredniej z lepkiem i z zewnętrznego płaszcza z tworzywa sztucznego.

b) Drugi typ powstał z normalnej rury z tworzywa sztucznego, mocno owiniętej folią aluminiową grubości około 0,2 mm, obustronnie pokrytą lepikiem i zewnętrznie zabezpieczoną cienką warstwą tworzywa sztucznego.

 

Kompozyt tworzywa sztucznego z metalem nie musi być tworzony tylko z aluminium. Do rury z cienkościennej nierdzewnej stali można włożyć rurę z tworzywa sztucznego z naniesionym lepikiem, która jest następnie prasowana na płaszcz stalowy w wyniku termicznego przetwarzania. Wielowarstwowe rury z włożką metalową minimalizują cieplną rozszerzalność długościową aż do wartości zbliżonych do aluminium. Są bardziej stabilne, przez co znacząco zmniejsza się konieczna liczba niezbędnych mocowań.

 

Ten rurociąg można łączyć połączeniami śrubowymi, złączkami zaprasowywanymi lub bezpośrednim prasowaniem. Trwałość rurociągów zależy od dwóch zasadniczych warunków. Po pierwsze należy zapobiec możliwemu dostaniu się wody, ewentualnie wilgoci powietrza do przekrojowej płaszczyzny wielowarstwowego rurociągu (zapobiec kontaktowi wody z aluminium) i po drugie należy unikać możliwości powstania elektrochemicznej korozji między mosiądzem lub czerwoną miedzią a aluminium.

 

 

RURY DO OGRAZEWANIA PODŁOGOWEGO

 

Z poprzedniego fragmentu wynika, że skala materiału rurociągu do ogrzewania centralnego jest bardzo szeroka, ale do ogrzewania podłogowego odpowiednie są przede wszystkim:

- miedź,

- tworzywa sztuczne,

- rury złożone.

 

 

RURY MIEDZIANYE DO OGRAZEWANIA PODŁOGOWEGO

 

Miedź jako materiał roboczy zdecydowanie wpłynęła na historię kultury. Ponieważ występuje w przyrodzie również w stanie rzymskim, jako metal mogła być obrabiana już od starożytności. W starożytnym Egipcie miedź była używana jako środek płatniczy. Pierwsze wzmianki o wodociągach z miedzi są znane jeszcze z roku 2500 p.n.e., kiedy to topione paski miedziane były układane w grobie Sahure w Egipcie.

 

Około roku 1900 miedź zaczęła być używana jako wysokiej jakości dachówka przede wszystkim na ważne reprezentacyjne budynki i kościoły. W roku 1933 zakazano stosowania tego materiału do celów nestrategicznych. W zachodniej Europie w roku 1965 materiał ten został odblokowany do celów grzewczych i instalacyjnych. Niestety, blok wschodni nadal stosował ten materiał tylko do celów strategicznych.

 

Uniwersalne zastosowanie miedzi jest możliwe przede wszystkim dzięki wysokiej jakości przetwarzanego materiału, do którego stawiane są wysokie wymagania:

- minimalne koszty montażu,

- stabilna funkcjonalna i operacyjna bezpieczność,

- długowieczność.

 

Do najważniejszych zalet instalacji rurociągów miedzianych należą:

• wysoka odporność na korozję, a tym samym w porównaniu do stalowych rur

- minimalne grubości ścian,

- minimalna metrowa masa,

• duża wytrzymałość materiału,

• prosta i szybka montaż przy małych wymaganiach przestrzennych,

• dobra możliwość dostosowania do warunków budowlanych i z tego względu szczególnie wysoka odpowiedniość również do dodatkowych instalacji,

• prosta i bezpieczna technika łączenia (bez wymagań na połączenia śrubowe),

• baktericydny efekt,

• żadne osady w rurociągach (rury miedziane nie zasłaniają), a tym samym zapewnione są -wysokie przepływy, małe straty ciśnienia,

- możliwość ustalenia dokładnego wewnętrznego średnicy rur,

- dobra przewodność cieplna,

• ekologiczność materiału (100% możliwa recykling, bezodpadowa technologia).

 

Materiał, z którego są wytwarzane miedziane rury to miedź dezoksydacyjna (SF-Cu) z zawartością czystej miedzi w minimalnej ilości 99,90%.

 

Podstawowo wyróżniamy dwa rodzaje połączeń miedzianych rur:

1. Połączenia rozłączne

• Nakrętka

- stożkowa/stożkowa,

- stożkowa/okrągła,

- płaskie uszczelki.

• Nakrętka z pierścieniem zaciskowym

- metalowe uszczelki,

- miękkie uszczelki.

• Rurkowe połączenia.

• Połączenia flanszowe.

2. Połączenia nierozłączne

• Lutowanie miękkie.

• Lutowanie twarde.

• Prasowanie.

• Spawanie.

 

Rurka jest opracowana specjalnie do rozdzielania dla ogrzewania podłogowego i do podłączania grzejników ciepła dla jednorurkowego i dwururkowego systemu ogrzewania. Rura miedziana jest pokryta ochronnym kablem z PVC, który zapewnia częściową możliwość rozszerzalności i chroni rurę zarówno przed fizycznym, jak i chemicznym wpływem betonowych, przy okazji tynkowych mieszanek.

 

Obecnie w Europie Zachodniej nie ma żadnego innego materiału instalacyjnego, używanego w domowych instalacjach, który byłby tak szeroko rozpowszechniony i miał tyle wielozadaniowe zastosowanie jak miedź. W Niemczech obecnie około 70 % instalacji jest realizowanych z miedzianych rur instalacyjnych, w Wielkiej Brytanii nawet 90 do 95 %.

 

RURY Z TWORZYWA SZTUCZNEGO DLA OGREWANIA PODŁOGOWEGO

 

Podstawowymi składnikami budulcowymi tworzyw sztucznych są węgiel C i wodór H. W produkcji wykorzystuje się trzy podstawowe procesy, a to polimeryzację, polikondensację, poliaddycję.

 

Polimeryzacją powstaje z monomerów pod wpływem energii, katalizatorów i innych dodatków polimer. Polimeryzacją wytwarza się np. polietylen i polipropylen.

 

Polikondensacją powstaje z dużej liczby cząsteczek wielu niskocząsteczkowych substancji nowa substancja. Polikondensacją wytwarza się np. żywicę fenolowo-formaldehydową. Poliaddycja to nieregularna polimeryzacja. Poliaddycją wytwarza się np. polikarbonian.

 

Polimery można podzielić na dwie grupy:

• homopolimery, których makrocząsteczkowy łańcuch składa się z regularnie powtarzających się tych samych cząsteczek,

• kopolimery, w których na łańcuch podstawowy przyczepione są jednostki innych rodzajów cząsteczek. Według przestrzennego ułożenia makrocząsteczek wyróżniamy liniowe i rozgałęzione polimery.

 

Z uwagi na sposób technologicznego przetwarzania i zachowania się tworzyw sztucznych pod wpływem ciepła dzielimy je na termoplasty, duroplasty i elastomery.

 

Właściwości termoplastów są wpływowane przez uporządkowanie lub nieuporządkowanie makrocząsteczek. Częściowo krystaliczne plastiki są giętkie i sprężyste. Amorficzne plastiki są natomiast twarde i kruche. Termoplasty można przetwarzać i modyfikować cieplnie odwracalnie.

 

Duroplasty (termosety) nie dają się kształtować ani spajać ciepłem. Jedyntymi przedstawicielami tej grupy są żywice. Odrębną grupę wśród duroplastów tworzą termoelasty, które zachowują giętkość, ale nie dają się kształtować ani spajać ciepłem. Głównym przedstawicielem termoelastów jest sieciowany polietylen.

 

Elastomery pod wpływem mechanicznego obciążenia znacznie się deformują. Po odciążeniu wracają znowu do pierwotnego stanu. Nie dają się kształtować cieplnie i są niezgrzewalne. Do tej grupy należą syntetyczne guma.

 

 

Typy tworzyw sztucznych stosowane w ogrzewaniu

 

Tworzywa sztuczne, które są stosowane u nas do instalacji w ogrzewaniu to głównie PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB i PVDF.

 

Polietylen blokowy kopolimer PP-B zawiera 20 do 30% składnika etylenu, który umożliwia większą giętkość i sprężystość przy niskich temperaturach (do -20 °C). Temperaturową odporność bez ciśnienia ma do 90 °C. Rura z tego tworzywa jest przeznaczona do ogrzewania podłogowego. Łączy się spawaniem lub mechanicznymi połączeniami.

 

Polietylen statyczny kopolimer PP-R został opracowany głównie do techniki sanitarnego. Wyróżnia się dobrą odpornością na ciśnienie również przy wyższych temperaturach i stosuje się zarówno do ogrzewania podłogowego, jak i do centralnego ogrzewania. Temperaturowa odporność bez ciśnienia przekracza 100 °C. Łączy się mechanicznymi połączeniami, spawaniem natułowym lub polimeracją.

 

Polietylen PB jest znacznie giętki i ma wysoką masę cząsteczkową. Przy dużej wytrzymałości wyróżnia się również odpornością na tworzenie się naprężeniowych pęknięć. Temperaturowa odporność bez ciśnienia przekracza 100 °C, staje się kruche przy - 18 °C. Stosuje się do rozdzielania ogrzewania podłogowego i centralnego. Ponieważ ma dobre właściwości mechaniczne, wytwarza się z cienkimi ściankami niż inne rury z tworzywa sztucznego. Łączy się mechanicznymi połączeniami, spawaniem natułowym lub polimeracją.

 

Chlorowany polichlorek winylu C-PVC ma zwiększony udział chloru, który nie jest barierą higieniczną przy przewodzeniu ciepłej wody rurami z tego tworzywa. Temperaturowa odporność bez ciśnienia przekracza 1 OO °C. Ten materiał wytwarza się różnymi sposobami, dlatego jego właściwości częściowo się różnią w zależności od poszczególnych producentów. Łączy się klejeniem, przy czym należy kleić tylko rury i kształtki dostarczone jednym producentem z jego zalecanym klejem.

 

Poliwinylidenfluorid PVDF ma wysoką wytrzymałość mechaniczną i znaczną odporność również przy wysokich temperaturach. Jest również dobrze przetwarzalny. Zakres temperaturowy zastosowania wynosi od - 40 do + 140 °C. Jest odporny na promieniowanie UV i gamma, co daje mu dobrą odporność na starzenie. Jest również odporny na ścieranie, fizjologicznie nie szkodliwy i trudnopalny. Jego cena jest dość wysoka. Łączy się polimeracją, promieniowaniem podczerwonym, spawaniem natułowym lub mechanicznymi połączeniami.

 

Właściwości tworzyw sztucznych

 

Do właściwości tworzyw sztucznych, które należy zdecydowanie zauważyć, należy odporność temperaturowa, palność, nasączalność, przewodność elektryczna, przewodność cieplna i rozszerzalność temperaturowa.

 

Granica temperaturowa, przy której polimer topi się i mięknie bez zmiany struktury, to granica odporności temperaturowej. Gdybyśmy dalej obciążali cieplnie tworzywo, dojdzie do zmiany właściwości mechaniczno-fizycznych i stopniowo do degradacji polimerów, co prowadzi do ich obniżenia wartości. Gdy oceniamy odporność temperaturową rur przeznaczonych do instalacji w ogrzewaniu, powinniśmy częściowo się upewnić, ponieważ przy niewłaściwym spawaniu dochodzi do częściowej degradacji lokalnym przegrzaniem.

 

Aby zapobiec lub złagodzić starzenie się tworzyw sztucznych do polimerów dodaje się stabilizatory, barwniki i antyoksydanty. Proces starzenia się to toczące się nieodwracalne zmiany właściwości mechanicznych tworzyw sztucznych, które są warunkowane wpływem tlenu, temperatury i promieniowania UV. Starzenie się przebiega w porównaniu do degradacji temperaturowej wolno.

 

Korozja tworzyw sztucznych najpierw ujawnia się wewnątrz tworzyw, a później również na powierzchni. Korozja tworzyw sztucznych ujawnia się zmianą składu i zmianą właściwości tworzyw. Zmiana jest spowodowana wpływem chemicznych i fizycznych czynników. Negatywny wpływ mogą mieć również niektóre materiały metalowe, jak miedź, kobalt i ich stopy. Przy kontakcie metali z niektórymi tworzywami sztucznymi dochodzi do termooksydacji, która jest katalizowana jonami metalowymi i ujawnia się zaburzeniem struktury tworzyw. Dlatego należy stosować połączenia i przejścia z odpowiednią powierzchniową obróbką, zalecaną producentem rury z tworzywa sztucznego. Powstawaniem drobnych pęknięć ujawnia się korozja tworzyw sztucznych przy napięciu. Przy tworzywach sztucznych nie musimy uwzględniać zmian tolerancji wymiarowych i zmian właściwości mechanicznych wpływem działania wilgoci. Tworzywa sztuczne są nienasączalne i ich nasączalność i nawilgocenie są bardzo niskie. Tworzywa sztuczne ogólnie uznajemy za izolatory, nie są przewodnikiem elektrycznym. Inną rzeczywistością jest to, że przy tworzywach sztucznych, którymi przewożone są materiały sypkie lub gazy, pojawia się wyładowanie statycznego ładunku. Opór powierzchniowy wynosi około wartości 10¹⁴ ohm i zależy od stopnia zanieczyszczenia powierzchni i od procenta wilgotności powietrza.

 

Z punktu widzenia projektowania sieci rurkowej bardzo ważna jest liniowa rozszerzalność cieplna. Rozszerzalność cieplna tworzyw sztucznych jest dziesięciokrotnie większa niż w przypadku stali lub miedzi. Jeśli projektant nie uwzględni tej cechy tworzyw sztucznych w pełni, spowoduje to wiele problemów, które można usunąć jedynie poprzez ponowne ułożenie rurki.

 

Współczynnik przewodzenia ciepła tworzyw sztucznych jest bardzo niski, ten fakt nie upoważnia jednak do odmawiania izolacji cieplnej rur z tworzywa sztucznego. Rurki z tworzywa sztucznego nie można zaliczyć do izolatorów termicznych, a wiele instalacji z tworzywa sztucznego bezpośrednio wymaga ogólnej izolacyjnej ochrony.

 

 

Podstawowe dane wykorzystywane przy zastosowaniu rur z tworzywa sztucznego

 

Ważnym czynnikiem wpływającym na zastosowanie rur z tworzywa sztucznego jest ich trwałość. Kiedyś mówiło się o żywotności 50–60 lat bez względu na warunki eksploatacji i rodzaj użytego tworzywa. Teraz jest jasne, że tę granicę trwałości należy przesunąć w dół i bardzo rygorystycznie oceniać zgodnie z rodzajem użytego tworzywa oraz zgodnie z warunkami eksploatacji, którym tworzywo jest narażone. W trakcie eksploatacji rurka z tworzywa sztucznego jest obciążona jednocześnie ciśnieniem roboczym i temperaturą roboczą. Ponieważ jednoczesne działanie ciśnienia i temperatury jest bardzo istotną rzeczą, ustala się w praktyce minimalną żywotność instalacji. Ta żywotność ustala się w zależności od dwóch powyżej wymienionych parametrów zgodnie z eksperymentalnie wyznaczonymi izotermami. Naprężenie w ścianie rurki, nanoszone na oś y, zależy wprost proporcjonalnie od zewnętrznego średnicy rurki, grubości ścianki i wewnętrznego nadciśnienia, a odwrotnie proporcjonalnie zależy od podwojonej grubości ścianki.

 

Rurki z tworzywa sztucznego są produkowane w tym zakresie: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.

 

Liczba za skrótem PN określa maksymalne ciśnienie robocze (Pa) przy temperaturze wody do 30 °C przez 50 lat. Z tego wynika, że przy projektowanych wyższych temperaturach dla tego samego ciśnienia i tej samej żywotności należy wybrać wyższy klasę ciśnienia, ponieważ z rosnącą temperaturą wody maleje maksymalnie dozwolone ciśnienie robocze.

 

Rurki z tworzywa sztucznego są oznaczane w milimetrowym zakresie. Oznaczenie powinno zawierać: nazwę producenta, oznaczenie materiału, zewnętrzny lub wewnętrzny wymiar x grubość ścianki, ciśnienie robocze/temperaturę, datę produkcji, nazwę rurki, ewentualnie numer rejestracyjny.

 

Można łączyć rurki z tworzywa sztucznego wzajemnie, rurki z tworzywa sztucznego z rurkami z innego materiału, rurki z kształtkami, rurki z armaturą lub rurki do urządzeń. Do tego celu służy cały system łączenia rur. Połączenia muszą spełniać określone wymagania, dlatego sprawdzamy je pod kątem odporności na ciśnienie, temperaturę lub wpływy chemiczne, przy czym wymagamy funkcjonalności i szczelności połączenia.

 

 

Dyfuzja tlenu przez ścianki rur z tworzywa sztucznego

 

O rurkach poliolefinowych do ogrzewania często się dyskutuje, są one miernikiem jakości całego systemu i celem jego wątpliwości. Dlatego im należy poświęcić zwiększoną uwagę.

 

Aktualnym problemem, któremu obecnie poświęca się zwiększoną uwagę, jest dyfuzja tlenu przez ścianki rur z tworzywa sztucznego.

 

Stwierdzono, że cząsteczki tlenu z powietrza przenikają przez siatkę tworzywa sztucznego, aż do wody grzewczej. Woda grzewcza stale nasycona tlenem staje się wobec metali bardzo agresywna. Ilość przenikającego tlenu zależy od rodzaju tworzywa i od temperatury. Dalej stwierdzono, że zmiany ciśnienia przy wyższych temperaturach powodują podatność na powstawanie zmęczeniowych pęknięć powierzchniowych, przez co dyfuzja tlenu wzrasta. Ponieważ cząsteczka o małym promieniu atomowym dyfunduje łatwiej do siatki złożonej z atomów o większym promieniu, doszło się najpierw do sieciowania tworzyw sztucznych. Udało się dzięki temu niemal całkowicie wyeliminować powstawanie zmęczeniowych pęknięć, ale dyfuzji tlenu nie udało się całkowicie zapobiec. Dlatego kolejny kierunek rozwoju doprowadził do całkowitego pokrycia rur z tworzywa sztucznego warstwą specjalnego polimeru pełniącego funkcję bariery dyfuzyjnej. Procentowa sprawność i żywotność tej bariery zależy jednak od użytego polimeru.

 

Dyfuzję tlenu można ograniczyć oddzielając obiegi grzewcze od obiegu z pompą, zwiększając grubość ścianek rur lub dodając do wody grzewczej substancję antyoksydacyjną.

 

Na koniec należy powiedzieć zasadę, że przyczyną tego problemu jest stan eksploatacyjny systemu ogrzewania podłogowego, który jest raz na zawsze trwale wbudowany w konstrukcję podłogi. Dlatego też stara się przekonać Klienta i użytkownika do wiarygodności i bezpieczeństwa systemu grzewczego, aby nie musiał mieć obaw przed ewentualnymi destrukcjami sieci rur. Jedną z tradycyjnych przyczyn jest korozyja metalowych części akcesoriów i urządzeń systemu grzewczego, ponieważ rurki są z tworzywa sztucznego.

 

Rozwiązanie się na to nałożyło. Renomowane firmy zasadniczo stosują metalowe części z mosiądzu, przez co minimalizuje się prawdopodobieństwo korozyji. Dalej, aby zapobiec możliwości transportu zanieczyszczeń głównie z źródła ciepła narażonego na możliwość korozyji niskotemperaturowej, zaczynają się propagować podłączenia systemu grzewczego przez wymiennik ciepła, czyli oddzielenie pierwotnego obiegu kotłowego od wtórnego obiegu powierzchni grzewczej podłogi. A na koniec, aby pewność była maksymalna, stara się wyeliminować możliwość wnikania tlenu bezpośrednio przez ścianki rur z tworzywa sztucznego, czyli poprzez dodatkową warstwę – barierę tlenową. Są znane nawet takie ekstremalne rozwiązania, gdzie dodaje się jeszcze trzecią warstwę, a mianowicie metalową.

 

Tak więc problem dyfuzji tlenu zawsze będzie zależał głównie od konkretnych warunków użytkowania, jak również od finansowej zdolności inwestora. W Niemczech, gdzie podłogowe ogrzewanie jest najpowszechniej stosowane, około 60% firm oferuje rurki z barierą tlenową.

 

Istotne jest jednak to, że obecnie, z uwagi na brak konkretnych przypadków z praktyki, nieustannie trwa badanie nie stosowania bariery tlenowej.

 

 

Trendy w zastosowaniu tworzyw sztucznych

 

SRN – ogólny rynek szacuje się na około 230 mln m rur, z czego ponad 1/2 to miedź, a z tworzyw sztucznych najwięcej stosuje się sieciowanego PE (70 %), następnie PPC (15–20 %) i PB (5–10 %),

Austria – stal i miedź stanowią ponad 55 %, resztę stanowią tworzywa sztuczne,

Szwajcaria – tworzywa sztuczne stanowią nawet 74 % rynku, są one stosowane głównie do podłogowego ogrzewania, zużycie 4,6 m na mieszkańca (rok maks. PEX; PPC i PB są 4-krotnie niższe niż PEX),

Holandia – tworzywa sztuczne 10 % w technice sanitarniej, 10 % w ogrzewaniu, przy czym PEX 60 %, PP i PB znacznie mniej (1–2 %).

 

Przy zastosowaniu tworzyw sztucznych w instalacjach budynkowych wychodzi się z założenia żywotności 50–55 lat, tj. wymiana instalacji raz w trakcie żywotności obiektu budowlanego.

 

Rozwój na rynku tworzyw sztucznych w SRN, Austrii i Szwajcarii potwierdza pełną równowartość między instalacjami na bazie tradycyjnych materiałów metalowych a na bazie tworzyw sztucznych, których udział oscyluje od 40 do 75 %.

 

Dominującą pozycję w produkcji materiałów rurkowych zajmuje ogólnie sieciowany polietylen, aż około 70 %, przy czym polipropylen i polibutylen są równorzędnie w kolejnym porządku.

 

 

KOMPOZYTOWE RURKI DO PODLAOGOWEGO OGRZEWANIA

 

W ostatnich latach u nas zaczyna się coraz częściej stosować rurki wielowarstwowe, tj. rurki złożone z różnych materiałów. Rurka wielowarstwowa składa się z podstawowej rurki z tworzywa sztucznego, folii aluminiowej z połączeniem spawanym wzdłużnym i ochronnej warstwy z tworzywa sztucznego. Dobrą przyległość obu warstw tworzywa sztucznego do folii aluminiowej zapewnia specjalna warstwa klejąca.

 

Rurki kombinowane kompensują wadę rurek plastowych pod względem temperaturowego wydłużenia. Wartości temperaturowego wydłużenia zbliżają się do wartości podawanych dla aluminium, np. producenci podają wartość 0,025 mm.m-1.K-1. Kolejną zaletą jest to, że rurociąg można mocować w większej odległości, ponieważ ugięcie po napełnieniu wodą jest mniejsze. Te rury charakteryzują się stosunkowo dużą sztywnością, a jednocześnie zachowują znaczną elastyczność. Wielowarstwowe rury łączy się mechanicznie lub przez polifuzję z kształtkami. Przed spajaniem należy usunąć wszystkie warstwy oprócz podstawowej plastikowej rurki.

 

 

 

Literatura:

Dušan Petráš: Podłogowe ogrzewanie wodne

Dušan Petráš: Niskotemperaturowe ogrzewanie i odnawialne źródła energii