Elektryczne kable grzewcze znajdują szerokie zastosowanie w branży HVACR. Wykorzystywane są zarówno do zabezpieczenia urządzeń, wymienników przed zamarznięciem, elementów konstrukcji chłodni i mroźni, jak również rurociągów wodnych prowadzonych na zewnątrz budynków. Podstawą ich prawidłowej pracy jest odpowiedni dobór rodzaju przewodu oraz jego mocy. 

Przewody grzejne nie są już nowinką techniczną od co najmniej 20 lat. Od tego czasu lista ich zastosowań stała się bardzo pokaźna. Dla przykładu, przewody grzejne można stosować do następujących celów:

1. Ogrzewanie podłogowe pomieszczeń.

2. Ogrzewanie luster.

3. Ogrzewanie przeciwoblodzeniowe:

     – schodów,

     – dachów (rynien, połaci dachowych i rur spustowych),

     – podjazdu do garażu,

     – ramp i chodników,

     – jezdni.

4. Ogrzewanie murawy boisk.

5. Ogrzewanie anten satelitarnych.

6. Ogrzewanie rurociągów w chłodnictwie i klimatyzacji.

7. Ogrzewanie masy betonowej.

8. Ogrzewanie boksów hodowlanych w stajniach i chlewniach.

9. Podgrzewanie gleby w ogrodnictwie.

10. Ogrzewanie ciągów technologicznych w produkcji spożywczej (fabryki cukierków, czekolady itp.)

11. Instalacje specjalne: (rurki impulsowe, zbiorniki przemysłowe, kanały, maszty itp.).

To tylko część możliwych zastosowań przewodów grzejnych. W niniejszym artykule zajmę się tylko zastosowaniem tych elementów w chłodnictwie i klimatyzacji.

Instalacje chłodnicze i klimatyzacyjne oparte są na różnych czynnikach grzewczych: freon, roztwory glikolu czy woda. Freon i glikol są substancjami szkodliwymi (freon dla środowiska, a glikol dla ludzi) – dlatego coraz częściej odchodzi się od ich stosowania (niektóre są wręcz zabronione z uwagi na częste i trudno wykrywalne wycieki do atmosfery – stało się to przyczyną podpisania 16 września 1987 r. protokołu Montrealskiego na mocy którego kraje ratyfi kujące, w tym Polska od 1990 r., zobowiązały się do ograniczenia produkcji i stosowania szkodliwych dla atmosfery związków freonowych, halonów i wielu innych). Tak więc w użyciu dominuje bezpieczna i obojętna dla środowiska woda, która szczególnie w dużych instalacjach klimatyzacyjnych jest czynnikiem zarówno chłodniczym (woda lodowa) jak i grzewczym.

Produkowane obecnie nowoczesne przemysłowe centrale klimatyzacyjne (np. typu Rooftop) dodatkowo oprócz funkcji wentylacyjnej i klimatyzacyjnej mogą spełniać również funkcje grzewcze. We wszystkich tego typu systemach część instalacji wodnej przebiega poza budynkiem i wówczas rurociąg wodny narażony jest zimą na awarie spowodowane zamarzaniem zawartej w nim wody (szczególnie w wodociągach wody lodowej oraz wówczas, gdy ze względu np. na awarię centrala nie pracuje i nie ma przepływu wody). W takim przypadku, prędzej czy później, nastąpi zamarznięcie rurociągu nawet przy bardzo dobrej izolacji cieplnej. Aby temu zapobiec nie stosuje się już dodatku glikolu, lecz przewody grzejne, które skutecznie chronią wodę przed zamarzaniem. W centralach tych bardzo często stosuje się również przewody grzejne do ochrony przed zamarzaniem rurek do odprowadzania skroplin. Rurki te nie są kluczowym elementem konstrukcyjnym takiej centrali, ale zamarznięcie odpływu skroplin, poza tym że sama rurka może zostać rozerwana przez lód, dodatkowo może spowodować obniżenie efektywności pracy całej centrali oraz pojawienie się przecieków wewnątrz budynku, a to już może spowodować duże straty – dlatego warto chronić przed zamarzaniem również takie drobne elementy.

Przewody grzejne stosuje się również w chłodnictwie do ochrony posadzek w mroźniach i chłodniach przed przemarzaniem. O ile w rurociągach chodzi o ochronę wody przed warunkami atmosferycznymi (konkretnie przed mrozem), o tyle w mroźniach chodzi o ochronę podłoża również przed mrozem, ale tym wywołanym sztucznie przez użytkownika mroźni. Z uwagi na to, że posadzka jest płaska, w tym przypadku za pomocą przewodów grzejnych buduje się ochronę płaszczyznową. Warstwa ochronna przewodów grzejnych instalowana jest na całej powierzchni posadzki pomiędzy gruntem, a warstwą izolacji cieplnej mroźni, aby nie dopuścić do przemarznięcia gruntu pod posadzką. Przemarznięcie to groziłoby zniszczeniem (popękaniem) posadzki w mroźni. Ponieważ posadzki w tego typu obiektach są bardzo grube (ok. 0,5 m), koszty naprawy byłyby bardzo wysokie, i dlatego też taniej jest chronić posadzki w chłodniach i mroźniach za pomocą elektrycznych przewodów grzejnych. Więcej szczegółów na ten temat (stosowanie obwodów rezerwowych, ochrona słupów, czy dublowanie czujników) podam w rozdziale o doborze mocy kabli grzejnych w mroźniach.

Warunkiem koniecznym prawidłowej i ekonomicznej pracy wszystkich instalacji w branży chłodniczej i klimatyzacyjnej jest:

• właściwy dobór mocy przewodów grzejnych,
• zastosowanie odpowiedniej jakości i grubości otulin izolacyjnych oraz sterowanie przewodami grzejnymi za pomocą odpowiedniej automatyki sterującej.

Rodzaje i budowa przewodów grzejnych

Charakterystyka rezystancyjna przewodów grzejnych

W technice i w budownictwie stosuje się bardzo wiele różnych typów przewodów grzejnych, dlatego warto uporządkować wiedzę na ich temat, aby później łatwiej zrozumieć zasady ich doboru.

Wyróżniamy przewody grzejne stałooporowe i zmiennooporowe (tzw. samoregulujące).

• Stałooporowe tzn. takie, których rezystancja liniowa (podawana w [Ω/m]) jest praktycznie niezmienna w różnych temperaturach pracy przewodu. Dlaczego „praktycznie” – dlatego, że rezystancja tak naprawdę w różnej temperaturze nigdy nie będzie stała, gdyż z fi zyki ciała stałego wiadomo, że rezystywność (a przez to i rezystancja) przewodów (nawet tych oporowych) zmienia się wraz z temperaturą (jest to zmiana wprost proporcjonalna), której wielkość oznaczamy współczynnikiem temperaturowym rezystywności α. Ponieważ współczynnik α dla przewodów grzejnych jest bardzo mały, więc i zmiany rezystancji wraz ze zmianą temperatury pracy przewodu grzejnego są tak małe, iż w praktyce można je pominąć. Stąd też przyjmuje się, że rezystancja ta jest stała i niezależna od temperatury pracy.
• Zmiennooporowe, których rezystancja jest mocno zależna od temperatury, z tym, że ponieważ przewody samoregulujące wydzielają ciepło na innej zasadzie niż przewody stałooporowe, więc zależność rezystancji tych przewodów jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury i przy tym nie jest to zależność liniowa. Sposób działania przewodu samoregulującego zostanie jeszcze poruszony w następnych rozdziałach.

Ponieważ od rezystancji przewodu grzejnego zależy jego moc, więc automatycznie widzimy, że moc grzewcza przewodów stałooporowych nie zmienia się wraz ze zmianą temperatury przewodów, natomiast moc przewodów samoregulujących zmienia się wraz ze wzrostem temperatury ich pracy. Wykresy zależności mocy liniowej przykładowych przewodów grzejnych pokazuje rysunek 1.

Rys. 1. Wykres mocy przewodów samoregulujących w zależności od temperatury otoczenia (dla przewodów samoregulujących produkcji firmy POLCONTACT)

Zanim przejdziemy do budowy poszczególnych typów przewodów – pozwolę sobie od razu na krótki komentarz – otóż dzięki właściwości przewodów grzejnych samoregulujących, w wielu przypadkach można stosować je bez termostatów, gdyż ich moc samoczynnie zwiększa się w niższych temperaturach. Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem temperatury moc tych przewodów nie spadnie całkowicie do zera, a to oznacza, że nawet w 20°C przewód samoregulujący zużywa energię elektryczną.

Jak widać nie należy więc stosować przewodów samoregulujących, ani tym bardziej stałooporowych bez termostatów. Można ewentualnie stosować termobimetalowe wyłączniki, które ograniczą wyżej opisane marnotrawstwo energii. Przykładem zastosowania takiego ogranicznika jest pokazany na rysunku 2. zestaw grzejny FreezeTec z wbudowanym termobimetalem.

Rys. 2. Stałooporowe i samoregulujące zestawy grzejne fi rmy ELEKTRA do ochrony rurociągów przed mrozem

Termobimetal powoduje wyłączenie w temperaturze ok. 10°C, dlatego ogranicza, ale nie eliminuje całkowicie strat energii i tym samym można takie rozwiązanie stosować w niewielkich instalacjach – tj. o mocy do ok. 1 kW. Dla instalacji o mocach większych niż 1 kW zaleca się stosowanie odpowiednich termostatów, które pozwalają na precyzyjne ustawienie temperatury zadziałania już na poziomie 1°C

Rys. 3. Termostat Viaterm 2k2 produkcji fi rmy POLCONTACT, przeznaczony specjalnie do sterowania elektrycznymi instalacjami grzewczymi chroniącymi rurociągi przed mrozem

Ilość żyła sposób zasilania przewodów grzejnych

(...)

Budowa przewodów grzejnych

(...)

Dobór przewodów grzejnych

(...)

Typowe moce przewodów grzejnych

(...)

Dobór mocy grzejnej przewodów

(...)

Zasady montażu przewodów grzejnych

(...)

Podsumowanie

Korzyści płynące z zastosowania przewodów grzejnych w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych to przede wszystkim:

• zapewnienie ciągłości przepływu czynnika chłodzącego i grzewczego,
• utrzymanie żądanej temperatury wody lodowej i grzewczej,
• eliminacja roszenia rur,
• eliminacja awarii spowodowanych przestojem instalacji,
• eliminacja freonu, glikolu i innych szkodliwych dla środowiska oraz ludzi związków.

Zaletą przewodów grzejnych jest ich długa żywotność, niezawodność działania, szybki i łatwy montaż, a także brak konieczności przeprowadzania okresowych przeglądów. Prawidłowo dobrane moce oraz odpowiednio dobrana automatyka sterownicza gwarantuje optymalne zużycie energii elektrycznej, a pierwsze skuteczne zadziałanie instalacji grzewczej zapobiega wystąpieniu awarii, których koszt usunięcia często przewyższa wielokrotnie koszt zainstalowania przewodów grzejnych.

W chłodnictwie i klimatyzacji przewody grzejne na dobre już się zadomowiły i stanowią niezbędny element automatyki tych układów, poprawiając trwałość i bezpieczeństwo działania takich instalacji.

mgr inż. Krzysztof ŚNIEGULA
– audytor energetyczny,
właściciel firmy POLCONTACT
– przedstawiciela w Polsce firm:
ELTRACE, NEXANS i DANFOSS

LITERATURA:
[1] Materiały własne i doświadczenie firmy POLCONTACT (zdjęcia, wykresy).
[2] Materiały marketingowe i zdjęcia producentów przewodów grzejnych: ELTRACE – Francja, NEXANS – Norwegia, DANFOSS/DEVI – Dania, ELEKTRA – Polska.
[3] Kompendium „Kompletne systemy grzewcze DEVI”.
[4] Materiały szkoleniowe firmy DEVI.