Talno ogrevanje
ŠIRJENJE TOPLOTE PRI SÁLAVEM OGREVANJU
Pri teoretičnem reševanju ogrevalnih sistemov v notranjih prostorih objektov stanovanjske gradnje je vedno treba določiti ogrevalni izkoristek, torej toplotni tok, ki je potreben za zagotovitev zahtevane toplotne ugodnosti za človeka - uporabnika.
Ogrevalni izkoristek se v ogrevalni tehniki najpogosteje izračuna iz pogojev toplotne ravnovesja ogrevane sobe (notranjosti, prostora itd.) in sicer v ustaljenem stanju. Prav pri tem izračunu je treba bistveno razlikovati med konvekcijskim ogrevanjem (kjer ogrevalno telo oddaja toplotni tok v ogrevano notranjost večinoma konvekcijo) in sáavim ogrevanjem, torej talno ogrevanje (kjer ogrevalna površina oddaja toplotni tok v ogrevano notranjost večinoma sálanjem).
Iz navedenih razmišljanj sledi, da pri sáavem načinu ogrevanja ogrevalna površina oddaja toplotni tok sálanjem - brez posredovanja zraka notranjosti okoliškim ohlajenim površinam notranjosti, pri čemer velja, da je efektivna temperatura (tj. povprečna temperatura okoliških površin) večja od temperature zraka.
Zato je jasno, da se pri sáavem ogrevanju bistveni del toplote širi sáalno in le majhna količina toplotnega toka se odda konvekciji. Zato moramo pri izračunu ogrevalnega izkoristka določiti:
- toplotno ravnovesje sáalne ogrevalne površine,
- toplotno ravnovesje zraka,
- toplotno ravnovesje sáalne ogrevalne površine in zraka,
- toplotno ravnovesje ogrevane sobe.
VRSTE SÁLAVEGA OGREVANJA
Danes lahko sáavo ogrevanje razdelimo takole:
- veliki površinski sistemi (stropni, stenni in talni ogrevni površini), znani kot talno ogrevanje,
- celotno ogrevanje z visečimi sáalnimi ploščami,
- individualno ogrevanje z bližnjimi ploščami (sáalne plošče),
- ogrevanje z infrardečimi grelniki.
Iz razdelitve je razvidno, da je v principu sáalna ogrevalna površina lahko nameščena v konstrukciji kot njen sestavni del (veliki površinski ogrevalni sistemi) ali je ustvarjena kot samostojna ogrevalna površina prosto nameščena v prostoru (sáalne plošče, ogrevalne plošče, infrardeči grelniki).
Če izhajamo iz navedene konstrukcijske razlike, potem so bistvene razlike tudi glede na površinsko temperaturo ogrevalnih površin, s tem posledično tudi glede izbire toplotnega nosilca in njegove temperature in končno tudi s tem povezanim specifičnim toplotnim izkoristkom sáalne ogrevalne površine.
VELIKI POVRŠINSKI SÁALNI SISTEMI
Ogrevalna površina pri velikih površinskih sáavih ogrevanjih je običajno ena od sten, ki omejujejo ogrevani prostor in to bodisi strop, stena ali tla.
Površinska temperatura ogrevalne površine mora biti razmeroma nizka (40 do 45 °C pri stropnem, 55 do 60 °C pri stennih in 25 do 30 °C pri talnem ogrevanju), iz česar sledi, da bo tudi temperatura medija enako nizka. Ogrevalna površina se lahko segreva:
- s toplo vodo (najpogosteje),
- s toplim zrakom,
- električno (upornostno).
Iz navedenega je jasno, da sistemi velikih površinskih sáavih ogrevanj delujejo z nižjimi temperaturami toplotnega nosilca. Ti nizkotemperaturni sistemi so primerni za uporabo energije pridobljene iz nizkoenergijskih virov, kot so geotermalne vode, sončna energija, morebitna odpadna toplota in toplota okolja. Ogrevalna površina pri velikih površinskih ogrevanjih je ena od sten, ki omejujejo ogrevani prostor. Glede na uporabljeno površino delimo velike površinske sisteme na:
- talno ogrevanje,
- stropne,
- stenne.
Od konvekcijskega ogrevanja z ogrevalnimi telesci se veliki površinski sáavi ogrevalni sistemi razlikujejo po načinu prenosa toplote in toplotnih razmerah v prostoru. Pri konvencionalnem ogrevanju ogrevalno telo segreva zrak v prostoru, ki oddaja toploto stenam. Temperatura notranjega zraka je višja od temperature sten. V prostoru nastane značilno kroženje zraka in zaradi tega precejšen razlika temperatur zraka pod stropom in pri tleh.
Pri velikih površinskih ogrevanjih se prenos toplote odvija sáalno in konvekcijsko. Delež sáalne toplote pri stropnem ogrevanju je 80 %, pri stennih 65 % in pri talnem ogrevanju 55 %.
Konstrukcijsko izvedba ogrevalne površine je zelo raznolika. Načeloma ločujemo dve osnovni rešitvi:
- ogrevalna površina je vgrajena, torej je sestavni del konstrukcije,
- ogrevalna površina je samostojna, to je ogrevana plošča, in sicer:
- bodisi pritrjena na neko od konstrukcij,
- ali nameščena prosto v ogrevani notranjosti.
V prvem primeru se površina konstrukcije segreva s toplo vodo, ki teče po cevnih registrih (ceveh), ki so zabetonirane v konstrukciji. Pri izvedbi sáavega ogrevanja se šele naknadno, v dokončani stavbi, obesijo grelni vodi pod nosni strop in v podstavku prekrijejo z ometom. Sáalne grelne plošče, ki se nameščajo na konstrukcije v prostoru (ali celo prosto v prostoru), so najpogosteje kovinske ali keramične in steklene. Te plošče se običajno segrevajo električno.
VELIKI POVRŠINSKI TALNO OGREVANJE
Če je grelni vod (registr) del poda določenega interierja, govorimo o velikih površinskih talnih ogrevanjih. Danes gre za ogrevalni sistem, ki glede na številne pozitivne lastnosti doživlja določeno renesanso in se vse bolj uporablja v stanovanjski gradnji (zlasti v družinskih hišah), v objektih javne infrastrukture (vrtcih, jaslih, telovadnicah, bazenih itd.), pa tudi v velikih prostorih (skupne garaže, industrijski obrati, kmetijske zgradbe).
Velkoplošné talno ogrevanje se je v preteklosti uporabljalo kot dopolnilno ogrevanje skupaj s stropnim ogrevanjem, če površina stropa ni zadostovala za pokritje toplotnih izgub. Večjemu širjenju talnega ogrevanja so nasprotovali tudi zahteve po nizki temperaturi površine tal, kar je vplivalo tudi na majhen toplotni izhod. Novi konstrukcijski načrti, arhitekturne zasnove, izboljšanje toplotno-tehničnih lastnosti zgradb in napredni konstrukcijski materiali za izvedbo ogrevalnih sistemov so danes omogočili nastanek številnih sistemov talnega ogrevanja.
Izbor talnega ogrevanja je v prvi vrsti odvisen od same zgradbe. Ta mora izpolnjevati toplotno-tehnične lastnosti, tako da bi povprečna toplotna izguba morala biti manjša od 20 W.m-3, oziroma povprečna letna poraba toplote nižja od 70 do 80 kWh.m-2. Iz navedenega je jasno, da je minimalna energijska potreba najprej posledica same zgradbe, nato pa obratovalnega režima z možnostjo akumulacije toplote v tleh s toplotno vztrajnostjo približno 4 do 8 ur in z visoko stopnjo samoregulacije.
Optimalno toplotno stanje notranjih prostorov s talnim ogrevanjem je običajno zagotovljeno z 2 do 4 K nižjimi končnimi temperaturami kot pri konvekcijskem ogrevanju, hkrati pa skoraj idealnim vertikalnim in horizontalnim temperaturnim gradientom.
TALNO TOPLOTNO OGREVANJE
Iz prejšnje ugotovitve je jasno, da spada talno toplotno ogrevanje med sevalne ogrevalne sisteme, vendar delež sevalne komponente na skupnem prenosu toplote iz ogrevalne površine ni bistveno večji od toka toplote s konvekcijo (55% : 45%). Hkrati to zelo ugodno vpliva na prednosti obeh načinov prenosa toplote v notranjost.
Talne toplotne cevi so hkrati del talne konstrukcije. Glede na higienske zahteve, povezane z omejeno površinsko temperaturo tal in s tem relativno nižjimi specifičnimi toplotnimi izhodi ogrevalne talne površine, so ogrevalne cevi skoraj vedno nameščene pod celotno površino tal. To izjemno pozitivno vpliva na enakomerno porazdelitev toplote v notranjosti in prispeva k ustvarjanju toplotno homogenega enakomernega okolja, bodisi v vertikalni ali horizontalni smeri.
Temperatura ogrevalne vode je običajno nižja od 50 °C, zato lahko talno toplotno ogrevanje štejemo tudi kot nizkotemperaturno, kar ima številne prednosti. Po eni strani zagotavljanje znatnih prihrankov toplotne energije pri obratovanju, hkrati pa omogočanje uporabe netradicionalnih nizko-potencialnih energetskih virov, kot so sončno sevanje, geotermalne vode in toplotne črpalke, ki izkoriščajo toploto okolja.
Torej ta dejstva uvrščajo talno toplotno ogrevanje med napredne ogrevalne sisteme, ki zagotavljajo vse tri E, tj. energetske, okoljske in ekonomske vidike ogrevanja zgradb. Po drugi strani, kljub obstoju takšnega načina ogrevanja že pred več kot 2000 leti, je največji razmah in renesansa ravno zdaj.
Zato je potrebno teoretično natančno opredeliti načela za praktično uporabo talnega toplotnega ogrevanja, kar je povezano z izbiro, izračunom, načrtovanjem, presojo, konstrukcijo, montažo, regulacijo, obratovanjem in aplikacijami.
IZBIRA ZGRADB ZA TALNO OGREVANJE
Ker ni vsak gradbeni objekt primeren za uporabo sistema talnega ogrevanja, je nujno, da se pri izbiri zgradbe zagotovijo zahteve:
- toplotno-tehnične,
- higienske,
- energetske.
DOLOČANJE KLJUČNIH TOPLOTNO-TEHNIČNIH VREDNOSTI
Toplotno-tehnične lastnosti gradbenih konstrukcij in zgradb zagotavljajo vrednosti:
- toplotne upornosti gradbenih konstrukcij,
- toplotnega upada gradbenih konstrukcij,
- toplotne sprejemljivosti talnih konstrukcij,
- količine kondenzirane in izparevalne vodne pare v gradbenih konstrukcijah,
- zračne prepustnosti gradbenih konstrukcij, njihovih stikov,
- toplotne stabilnosti prostora,
- porabe energije za ogrevanje.
Pri načrtovanju gradbenih konstrukcij in zgradb, določenih s stanjem notranjega okolja, so zahtevani kriteriji minimalne temperature notranje površine glede na člen 3 STN 73 0540 in maksimalne porabe energije za ogrevanje glede na člen 21 STN 73 0540.
OGREVALNE CEVI
Najpomembnejši člen ogrevalne tla so ogrevalne cevi, zato bomo nadalje podrobneje opisali:
- cevi za ogrevanje,
- cevi za talno ogrevanje.
CEVI ZA OGREVANJE
Trenutno najpogosteje uporabljamo ta cevni material za centralno ogrevanje:
- kovinske cevi,
- plastične cevi,
- kombinirane cevi.
KOVINSKE CEVI
Uporablja se jeklo (črno), pocinkano, nerjavno in baker. Raznolikost materialov je izvor kontaktne korozije, ki močno vpliva na življenjsko dobo ogrevalnega sistema.
a) Jeklenke
Spadajo med klasične cevne materiale. Večinoma se uporabljajo gladke brezšivne jeklene cevi. Spoj se ustalil na varjenju, prostorske spremembe v cevnem omrežju pa se ustvarjajo z upogibanjem na toploto. Zvitne spoje se uporabljajo le za priključitev armatur in ogrevalnih teles. S stoletnimi izkušnjami je uspelo odpraviti večino pomanjkljivosti. Ostaja le visoka zahtevnost varjenja. Ravno ta okoliščina se trenutno postavlja proti uvajanju tankostenskih zaprtih pravokotnih profilov, ker zrcalno varjenje ni priljubljeno in se danes običajno ne obvlada.
b) Pocinkane jeklene cevi
Pocinkane jeklene cevi so eden najstarejših cevnih materialov, ki pa zahteva popolno rokodelsko obdelavo. Cinkova plast ni vedno enake debeline in kakovosti. Pri uporabi sodobnih rezalnikov vijakov pride pri izdelavi vijaka pogosto do precejšnje lokalne oslabitve nosilnega dela cevi. Ta okoliščina skupaj s odstranitvijo pocinkanega površja je vzrok za špranjsko korozijo. Ker zahtevajo vijaki strokovnost in so časovno zahtevni, jih po možnosti zamenjajo z varjenjem. Vendar lahko ugotovimo, da so zaradi uporabe debelozidnih cevi že na upadu.
c) Nerjaveče cevi
Na videz idealne nerjaveče cevi so pri izvajanju naletele na problem spajanja. Varjenje v tem primeru zahteva zelo poseben tehnološki postopek, ker sicer pride do neželenih transkristalnih deformacij. Prav tako pri trdem spajkanju s srebrno spajko pogosto pride do nevarnosti korozije na območju stika topila z nerjavnim površjem. Šele v začetku sedemdesetih let je prišlo do bistvenega preobrata, ko je podjetje Mannesmann razvilo spajanje nerjavnih cevi z lito objemko iz avtentične nerjavne jekla.
Tento druh spájacej techniky sa postupne rozšíril aj na iné druhy potrubí (napr. plastové, kde sa používajú väčšinou bronzové lisované objímky). Zalisovaním objímky špeciálnym ručným elektrickým nástrojom vzniká približne počas 6 sekúnd vodotesný spoj medzi rúrkou a objímkou. Jedinou slabinou sa zdá byť zalisovaný tesniaci o-krúžok, umiestnený na konci objímky, ktorý je obyčajne z butylkaučuku. Názory na životnosť tohto materiálu sa od seba líšia a zatiaľ sa ešte nezískali dostatočne dlhodobé skúsenosti.
d) Medené rúrky
Meď patrí medzi najušľachtilejší potrubný materiál. Potrebné je však zásadne dodržať dávkovanie inhibítora do vykurovacej vody. Reakciou vody s medeným povrchom sa vytvára jednak ochranná vrstva z oxidu meďnatého a jednak sa uvoľňujú ióny medi. Ak sa stane z neznalosti alebo z nevyhnutnosti, že za úsekom medeného potrubia je umiestnené oceľové (dokonca pozinkované) potrubie alebo hliník, dôjde k intenzívnemu korozívnemu napadnutiu tohto povrchu. Tu môže pomôcť vhodný inhibítor.
Veľmi dôležitým pracovným postupom je spájanie medeného potrubia. Spája sa veľmi výhodne spájkovaním namäkko alebo natvrdo. Spájkuje sa namäkko podľa druhu použitej spájky pri teplote 230 až 240 °C a pri spájkovaní natvrdo pri 710 až 730 °C. Tieto teploty je nutné vždy bezpodmienečne dodržať. Používajú sa len vodou rozpustné tavivá, ktorých zvyšky sa preplachovaním z potrubia vyplavia.
Pri dodržaní podmienok spájania a použitia dezoxidovanej medi SF-Cu s obsahom medi minimálne 99,9% je garancija vysokej odolnosti proti korózii a dostatočnej pevnosti i slabostenových rúrok. Montaža je pomerne jednoduchá a rýchla. Potrubie možno použiť do prevádzkových tlakov až 4 MPa a prevádzkových teplôt do 150 °C.
PLASTOVÉ RÚRKY
Z rúrok, vhodných pre ústredné ogrevanje, je potrebné rozlišovať medzi sústavami podlahového vykurovania a klasickými. Podlahové sústavy totiž potrebujú veľkú ohybnosť rúrových slučiek a okrem toho sú menej tepelne namáhané na rozdiel od klasických vykurovacích sústav.
Na talno ogrevanje sú teda vhodné druhy PB, PE-X, PVC-C, PP-R. V tejto súvislosti si treba uvedomiť, že pre druh PVC je maximálna prevádzková teplota len 60 °C a pre PVC-C je prevádzková teplota trvalá 90 °C a krátkodobá 110 °C. Podobný rozsah platí pre PB, PE-X a PP-R. Osobitné postavenie má PVDF, ktorý možno použiť do rozsahu 140 °C. Priebežne sa niektoré hodnoty nutne upresňujú. Napr. bolo známe, že halogény (fluór, chlór, bróm, jód) reagujú s PE a dochádza k molekulárnym zmenám, ku krehnutiu materiálu a k strate pevnosti už pri teplotách 20 °C. V USA sa teraz sa zistilo , že dochádza k starnutiu a deštrukcii pri PB po dlhodobom používaní vplyvom pôsobenia chlóru. Toto zistenie však nemožno v plnom rozsahu aplikovať na naše podmienky, pretože koncentrácia chlóru vo vode má v USA ďaleko vyššie hodnoty (až 2 ppm).
Hlavnou výhodou plastových potrubí je ich jednoduchá a rýchla montaža. Spájajú sa buď lepením (PVC), alebo zváraním (PB, PE, PP), alebo nátrubkami a skrutkovými spojkami (PB, PE-X, PP).
Hlavnou nevýhodou plastových potrubí je malá tlaková odolnosť pri vyšších teplotách, malá tuhosť (priestorová tvarová stálosť) a najmä veľká dĺžková teplotná rozťažnosť. V porovnaní s nerezovou oceľou je rozťažnosť pri PB 10-krát, pri PP 12-krát, pri PE 14-krát a pri PE-LO dokonca 23-krát väčšia. Túto okolnosť treba brať do úvahy pri riešení uchytenia a vedenia plastových potrubí. Bez priebežných podpôr a eliminácie dilatácie potrubia kompenzáciou by sa plastové potrubie vôbec nemalo inštalovať.
VIACVRSTVOVÉ RÚRKY S KOVOVOU VLOŽKOU
Iný smer vývoja vychádzal z poznatku, že stopercentnou ochranou proti difúzii kyslíka je kov. Na základe toho sa vyvinuli viacvrstvové plastové potrubia s kovovou vložkou. Zatiaľ sa najviac presadili dva základné typy:
a) Jeden typ s vnútri zabudovaným pozdĺžne zvareným hliníkovým plášťom hrúbky asi 0,5 mm. Tieto rúrky sú zložené z vnútorného plášťa z plastu (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), z medzivrstvy priľnavej zložky, zo zvareného hliníkového plášťa, opäť z medzivrstvy, priľnavej zložky a z vonkajšieho plastového plášťa.
b) Druhý typ sa vyvinul z normálnej plastovej rúrky, pevne ovinutej hliníkovou fóliou hrúbky asi 0,2 mm, obojstranne opatrenej priľnavou zložkou a kvôli vonkajšej ochrany opatrenej slabšou vrstvou plastu.
Kompozit plastu s kovom sa nemusí vytvoriť iba s hliníkom. Do rúrky zo slabostennej nerezovej ocele sa môže vložiť plastična cev s nanesenou priľnavou zložkou, ktorá je následným tepelným spracovaním prilisovaná na oceľový plášť. Viacvrstvové potrubia s kovovou vložkou minimalizujú tepelnú dĺžkovú rozťažnosť až na hodnoty, ktoré sa približujú hliníku. Sú stabilnejšie, čím sa teda podstatne znižuje potrebný počet nevyhnutných príchytiek.
Toto potrubie možno spájať skrutkovanými spojkami, lisovanými objímkami alebo priamym lisovaním. Životnosť potrubí je daná dvoma zásadnými podmienkami. Po prvé treba zabrániť možnému vstupu vody, príp. vzdušnej vlhkosti na čelnú reznú plochu viacvrstvového potrubia (zabrániť styku vody s hliníkom) a po druhé sa treba vyvarovať možnosti vzniku elektrostatickej korózie medzi mosadzou či červeným bronzom a hliníkom.
RÚRKY PRE TALNO OGREVANJE
Z predchádzajúcej časti je zrejmé, že škála potrubného materiálu pre ústredné ogrevanje je veľmi široká, ale pre talno ogrevanje sú vhodné najmä:
- meď,
- plasty,
- kombinované rúrky.
MEDENÉ RÚRKY PRE TALNO OGREVANJE
Meď ako pracovný materiál rozhodne ovplyvnila dejiny kultúry. Keďže sa v prírode vyskytuje aj v rýdzom stave, ako kov sa mohla opracúvať už pradávno. V starom Egypte sa meď používala ako platidlo. Prvé zmienky o vodovodoch z medi sú známe ešte z roku 2500 pred n.l., kedy sa tepané medené plechy ukladali v hrobke Sahure v Egypte.
Okolo roku 1900 sa začala meď používať ako kvalitná strešná krytina najmä na významné reprezentačné budovy a kostoly. V roku 1933 bolo zakázané používať tento materiál na nestrategické účely. V západnej Európe sa v roku 1965 tento materiál odblokoval na vykurovacie a inštalatérske účely. Žiaľ, východný blok tento materiál naďalej používal iba na strategické účely.
Všestranné použitie medi je možné najmä vďaka vysokej kvalite spracúvaného materiálu, na ktorý sa kladú vysoké požiadavky:
- minimálne montážne náklady,
- stabilná funkčná a prevádzková bezpečnosť,
- dlhá životnosť.
Medzi najvýznamnejšie prednosti medených potrubných inštalácií patria:
• vysoká odolnosť voči korózii, a tým podmienené v porovnaní s oceľovými rúrami
- minimálne hrúbky stien,
- minimálna metrová hmotnosť,
• veľká pevnosť materiálu,
• jednoduchá a rýchla montaža pri malých nárokoch na priestor,
• dobrá možnosť prispôsobenia stavebným podmienkam a z tohto dôvodu mimoriadne vysoká vhodnosť aj pre dodatočné inštalácie,
• jednoduchá a bezpečná spájacia technika (bez požiadavky na skrutkovacie spoje),
• baktericídny účinok,
• žiadne usadeniny v potrubiach (medené potrubia nezarastajú), a tým sú zabezpečené -vysoké prietoky, malé tlakové straty,
- možnost določiti natančen notranji premer cevi,
- dobra toplotna prevodljivost,
• ekološki material (100% možna reciklacija, brez odpadne tehnologije).
Material, iz katerega so izdelane bakrene cevi, je razkisana baker (SF-Cu) z vsebnostjo čistega bakra v minimalnem količini 99,90%.
Načeloma razlikujemo dve vrsti spajanja bakrenih cevi:
1. Sestavljivi spoji
• Navoj
-konusna / konusna,
-konusna / krožna,
-ravno tesnilo.
• Navoj s stiskalnim obročem
-kovinsko tesnilo,
-mehko tesnilo.
• Cevne spojke.
• Priključki.
2. Nesestavljivi spoji
• Mehko spajkanje.
• Trdo spajkanje.
• Stiskanje.
• Varjenje.
Cev je razvita posebej za razdelilne sisteme za talno ogrevanje in priključevanje grelnih teles za enosmerni in dvosmerni ogrevalni sistem. Bakrena cev je prekrita z zaščitnim ovitkom iz PVC, ki zagotavlja delno možnost dilatacije in ščiti cev pred fizičnimi in kemičnimi vplivi betonskih ali ometnih mešanic.
Trenutno ni v zahodni Evropi noben drug inštalacijski material, ki se uporablja v hišnih instalacijah, tako razširjen in nima tako vsestranske uporabe kot baker. V Nemčiji je trenutno približno 70 %instalacij izvedenih iz bakrenih inštalacijskih cevi, v Veliki Britaniji celo 90 do 95 %.
PLASTIKA CEVI ZA TALNO OGREVANJE
Osnovni gradniki plastike so ogljik C in vodik H. Pri proizvodnji se uporabljajo trije osnovni procesi, in sicer polimerizacija, polikondenzacija, poliadsorpcija.
S polimerizacijo nastane iz monomerov pod vplivom energije, katalizatorjev in drugih dodatkov polimer. S polimerizacijo se proizvaja npr. polietilen in polipropilen.
S polikondenzacijo nastane iz velikega števila molekul več nizkomolekularnih snovi nova snov. S polikondenzacijo se proizvaja npr. fenolformaldehidna smola. Poliadsorpcija je nepravilna polimerizacija. S poliadsorpcijo se proizvaja npr. polikarbonat.
Polimere lahko razdelimo v dve skupini:
• homopolimeri, katerih makromolekularni verigi so sestavljeni iz redno ponavljajočih se enakih molekul,
• kopolimeri, v katerih so na osnovno verigo vezane enote drugega tipa molekul. Glede na prostorsko ureditev makromolekul razlikujemo linearne in razvejane polimere.
Glede na način tehnološke obdelave in obnašanja plastike pri segrevanju jih delimo na termoplaste, duroplaste in elastomere.
Lastnosti termoplastov vpliva urejenost ali neurejenost makromolekul. Deloma kristalne plastike so upogljive in žilave. Amorfne plastike so nasprotno trde in lomljive. Termoplaste lahko toplotno vračljivo obdelujemo in prilagajamo.
Duroplasti (termoseti) jih ni mogoče toplotno oblikovati ali variti. Jasni predstavniki te skupine so smole. Posebno skupino med dureplasti predstavljajo termoelasti, ki ohranjajo upogljivost, vendar jih ni mogoče toplotno oblikovati ali variti. Glavni predstavnik termoelastov je mrežnični polietilen.
Elastomeri se pod mehanskim obremenitvijo znatno deformirajo. Po razbremenitvi se vrnejo v prvotno stanje. Ni jih mogoče toplotno oblikovati in so nezvarljivi. Sem spadajo sintetični kavčuk.
Tipi plastike, ki se uporabljajo v ogrevanju
Plastika, ki se pri nas uporablja za inštalacijo v ogrevanju, so predvsem PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB in PVDF.
Polipropilen blok kopolimer PP-B vsebuje 20 do 30% etilenske komponente, ki omogoča večjo upogljivost in žilavost pri nizkih temperaturah (do -20 °C). Brezplavinska temperaturna odpornost je do 90 °C. Cev iz tega materiala je namenjena zatalno ogrevanje. Povezuje se z varjenjem ali mehanskimi spojkami.
Polipropilen statični kopolimer PP-R je bil razvit zlasti za sanitarno tehniko. Odlikuje ga dobra tlačna odpornost tudi pri višjih temperaturah in se uporablja tako zatalno ogrevanje kot za centralno ogrevanje. Brezplavinska odpornost presega 100 °C. Povezuje se z mehanskimi spojkami, varjenjem na tupo ali poli fuzijo.
Polibutilén PB je precej upogljiv in ima visoko molekulsko maso. Pri veliki trdnosti se odlikuje tudi odpornost proti tvorbi napetostnih razpok. Brezplavinska temperaturna odpornost presega 100 °C, postane krhek pri -18 °C. Uporablja se za razdeljevanje talnega in centralnega ogrevanja. Ker ima dobre mehanske lastnosti, se proizvaja s stenami tanjšimi od drugih plastičnih cevi. Povezuje se z mehanskimi spojkami, varjenjem na tupo ali poli fuzijo.
Klorirani polivinil klorid C-PVC ima povečan delež klora, ki ni higienska ovira pri transportu tople vode po ceveh iz tega materiala. Brezplavinska temperaturna odpornost presega 100 °C. Ta plastika se proizvaja na različne načine, zato se njene lastnosti delno razlikujejo glede na posamezne proizvajalce. Povezuje se z lepljenjem, pri čemer bi morali lepiti samo cevi in fitinge, ki jih dobavi en proizvajalec z njegovim priporočenim lepilom.
Poliviniliden fluorid PVDF ima visoko mehansko trdnost in znatno odpornost tudi pri visokih temperaturah. Prav tako je dobro obdelovalen. Temperaturno območje uporabe se giblje od -40 do +140 °C. Je odporen proti UV in gama žarkom, s čimer pridobi dobro odpornost proti staranju. Prav tako je odporen proti obrabi, fiziološko neoporečen in težko vnetljiv. Njegova cena je razmeroma visoka. Povezuje se s poli fuzijo, infrardečimi žarki, varjenjem na tupo ali mehanskimi spojkami.
Lastnosti plastike
Med lastnostmi plastike, ki bi jih morali vsekakor upoštevati, sta toplotna odpornost, gorljivost, nasičenost, električna prevodnost, toplotna prevodnost in toplotna razteznost.
Toplotna meja, nad katero se polimer stali in zmehča brez spremembe strukture, je meja toplotne odpornosti. Če bi plastiko nadalje obremenjevali s toploto, bi prišlo do spremembe mehansko-fizikalnih lastnosti in postopoma tudi do degradacije polimerov ter s tem do njihovega uničenja. Če ocenjujemo toplotno odpornost cevi, namenjenih za inštalacijo v ogrevanju, bi se morali delno zavarovati, ker pride pri nepravilnem varjenju do delne degradacije zaradi lokalnega pregretja.
Da bi preprečili ali ublažili staranje plastike, se v polimere dodajajo stabilizatorji, pigmenti in antioksidanti. Staranje razumemo kot potekajoče nepopravljive spremembe mehanskih lastnosti plastike, ki so posledica delovanja kisika, temperature in UV žarkov. Staranje poteka počasneje kot toplotna degradacija.
Korozija plastike se najprej pojavi v notranjosti plastike in kasneje tudi na površini. Korozija plastike se kaže s spremembo sestave in spremembo lastnosti plastike. Sprememba je posledica delovanja kemičnih in fizikalnih vplivov. Negativen vpliv lahko imajo tudi nekateri kovinski materiali, kot so baker, kobalt in njihove zlitine. Pri stiku kovine z nekaterimi plastiki pride do termooksidacije, ki jo katalizirajo kovinski ioni in se kaže z motnjami v strukturi plastike. Iz tega razloga je treba uporabljati spojke in prehodke z ustrezno površinsko obdelavo, ki jih priporoča proizvajalec plastične cevi. Pojav majhnih razpok kaže na korozijo plastike pod napetostjo. Pri plastičnih izdelkih ne moramo upoštevati sprememb toleranc dimenzij in sprememb mehanskih lastnosti zaradi vpliva vlage. Plastike splošno štejemo za izolatorje, niso električno prevodne. Drugačna stvar je, da se pri plastičnih ceveh, skozi katere se prevažajo suhi materiali ali plini, pojavlja izpust statične elektrike. Površinska upornost se giblje okoli vrednosti 1014 ohm in je odvisna od stopnje onesnaženosti površine in odstotka vlažnosti zraka.
Z hľadiska návrhu potrubnej siete je veľmi dôležitá dĺžková teplotná rozťažnosť. Teplotná rozťažnosť je pri plastoch desaťnásobne väčšia ako pri oceli alebo medi. Ak nebude projektant túto vlastnosť plastov plne rešpektovať, spôsobí si mnoho problémov, ktoré možno odstrániť iba novým položením potrubia.
Súčiniteľ tepelnej vodivosti plastov je veľmi nízky, tento poznatok nás však neoprávňuje k odmietaniu tepelnej izolácie pri plastovom potrubí. Plastové potrubie nemožno zaradiť medzi termoizolanty a mnohé plastové rozvody si priamo vyžadujú všeobecnú izolačnú ochranu.
Základné údaje využívané pri používaní plastového potrubia
Dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje použitie plastového potrubia je jeho životnosť. Kedysi sa hovorilo o životnosti 50 až 60 rokov bez ohľadu na prevádzkové podmienky a druh použitého plastu. Teraz je zrejmé, že túto hranicu životnosti treba posunúť smerom dolu a veľmi striktne ju posudzovať v súlade s použitým plastom a v súlade s prevádzkovými podmienkami, ktorým je plast vystavený. Pri prevádzke je plastové potrubie namáhané súčasne prevádzkovým tlakom a prevádzkovou teplotou. Nakoľko je súčasné pôsobenie tlaku a teploty veľmi významnou skutočnosťou, stanovuje sa v praxi minimálna životnosť rozvodu. Táto životnosť sa stanoví v závislosti od dvoch vyššie uvedených parametrov podľa experimentálne zistených izoterm. Napätie v stene rúrky, vynášané na osi y, závisí priamo úmerne od vonkajšieho priemeru rúrky, hrúbky steny a vnútorného pretlaku a nepriamo úmerne závisí od dvojnásobku hrúbky steny.
Plastové potrubia sa vyrábajú v tomto rade: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.
Číslo za skratkou PN určuje maximálny prevádzkový tlak (Pa) pri teplote vody do 30 °C počas 50 rokov. Z toho vyplýva, že pre projektované vyššie teploty treba pre rovnaký tlak a rovnakú životnosť voliť vyšší tlakový rad, pretože so vzrastajúcou teplotou vody klesá maximálny dovolený prevádzkový tlak.
Plastové rúrky sa značia v milimetrovom rade. Značenie by malo obsahovať: meno výrobcu, označenie materiálu, vonkajší alebo vnútorný rozmer x hrúbka steny, prevádzkový tlak/teplotu, dátum výroby, názov rúrky, príp. registračné číslo.
Spájať môžeme plastové potrubia navzájom, plastové potrubie s potrubím z iného materiálu, rúrky s tvarovkami, rúrky s armatúrami alebo rúrky k spotrebičom. Na tento účel sa používa celý systém spájania potrubí. Spoje musia spĺňať určité požiadavky, preto ich kontrolujeme z hľadiska odolnosti voči tlaku, teplote alebo chemickým vplyvom, pričom požadujeme funkčnosť a tesnosť spoja.
Difúzia kyslíka cez steny plastových rúrok
O vykurovacích polyolefínových rúrkach sa často diskutuje, sú meradlom kvality celého systému a terčom jeho spochybnenia. Preto im treba venovať zvýšenú pozornosť.
Aktuálnym problémom, ktorému sa v súčasnosti venuje zvýšená pozornosť, je difúzia kyslíka cez steny plastových rúrok.
Zistilo sa, že molekuly vzdušného kyslíka prenikajú mriežkou plastu, až sa dostanú do vykurovacej vody. Vykurovacia voda, ustavične nasycovaná kyslíkom, sa stáva potom voči kovom veľmi agresívna. Množstvo preniknutého kyslíka závisí od druhu plastu a od teploty. Ďalej sa zistilo, že tlakové zmeny pri vyšších teplotách vyvolávajú náchylnosť k vytváraniu únavových povrchových trhlín, čím sa kyslíková difúzia zväčšuje. Pretože molekula s malým polomerom atómov difunduje ľahšie do mriežky vytvorenej z atómov s väčším polomerom, dospelo sa najskôr k sieťovaniu plastov. Podarilo sa tak síce takmer vylúčiť vytváranie únavových trhlín, ale kyslíkovej difúzii sa úplne nezabránilo. Preto ďalší smer vývoja viedol k celoplošnému obaľovaniu plastových rúrok vrstvou zo špeciálneho polyméru, slúžiaceho ako difúzna zábrana. Percentná izkoristek a životnosť tejto zábrany závisí však od použitého polyméru.
Difúziu kyslíka možno obmedziť oddelením vykurovacích okruhov od okruhu s čerpadlom, zväčšením hrúbky stien rúrok alebo pridaním okysličovadla do vykurovacej vody.
Nakoniec treba povedať zásadu, že príčinou tohto problému je prevádzkový stav podlahového vykurovacieho systému, ktorý je raz a navždy pevne zabudovaný v konštrukcii podlahy. Z toho dôvodu je snaha presvedčiť zákazníka a užívateľa o spoľahlivosti a bezpečnosti vykurovacieho systému, aby nemusel mať obavy z prípadných deštrukcií potrubného rozvodu. Jednou z tradičných príčin je korózia kovových častí príslušenstva a zariadení vykurovacieho systému, pretože rúrky sú z plastov.
Riešenie sa teda našlo nasledovné. Renomované firmy používajú kovové časti zásadne z mosadze, čím sa minimalizuje pravdepodobnosť korózie. Ďalej proti možnosti transportu nečistôt najmä zo zdroja tepla vystaveného možnosti nízkoteplotnej korózie sa začínajú presadzovať zapojenia systému vykurovania cez výmenník tepla, teda oddelenie primárneho kotlového okruhu od sekundárneho okruhu podlahovej vykurovacej plochy. No a nakoniec, aby istota bola maximálna, je snaha vylúčiť možnosť vnikania kyslíka priamo cez steny plastových rúrok, teda prostredníctvom vlastne ďalšej krycej vrstvy - kyslíkovej bariéry. Sú známe už i také extrémne riešenia, kde sa pridáva ešte aj tretia vrstva, a to na báze metalickej.
Takže problematika difúzie kyslíka vždy bude závisieť najmä od konkrétnych podmienok použitia, ako aj od solventnosti investora. V Nemecku, kde je talno ogrevanje najpoužívanejšie, približne 60% firiem ponúka rúrky s kyslíkovou bariérou.
Podstatné je však to, že v súčasnosti, vzhľadom na nedostatok konkrétnych prípadov z praxe, ustavične prebieha výskum nepoužitia kyslíkovej bariéry.
Trendy v aplikácii plastov
SRN - celkový trh sa odhaduje na približne 230 mil. m rúrok, z toho viac ako 1/2 je meď, pričom z plastov sa najviac používa sieťovaný PE (70 %), ďalej PPC (15 až 20 %) a PB (5 až 10 %),
Rakúsko - oceľ a meď tvoria viac ako 55%, ostatné sú plasty,
Švajčiarsko - plasty tvoria až 74 % trhu, používajú sa najmä na talno ogrevanje, spotreba 4,6 m na obyvateľa (rok max. PEX; PPC a PB sú 4-krát nižšie ako PEX),
Holandsko- plasty 10 % na sanitárnej technike, 10% na ÚK, pričom PEX 60 %, PP a PB výrazne menej (1 až 2 %).
Pri použití plastov na potrubné rozvody v budovách sa vychádza z predpokladu životnosti 50 až 55 rokov, t.j. výmena inštalácií 1-krát počas životnosti stavebného objektu.
Vývoj v trhu s plastovým materiálom v SRN, Rakúsku a švajčiarsku potvrdzuje úplnú rovnocennosť medzi potrubnými rozvodmi na tradičnej metalickej báze a na báze plastov, ktorých podiel sa pohybuje od 40 do 75 %.
Dominantné postavenie v produkcii potrubných materiálov má všeobecne sieťovaný polyetylén, až okolo 70 %, pričom polypropylén a polybutén sú rovnocenne v následnom poradí.
KOMBINOVANÉ RÚRKY PRE TALNO OGREVANJE
V posledných rokoch sa u nás začína používať viacvrstvové potrubie, t.j. potrubie zložené z nerovnakých materiálov. Viacvrstvová rúrka sa skladá zo základnej plastovej rúrky, hliníkového plášťa s pozdĺžnym zvarovaným švom a ochrannej plastovej vrstvy. Dobrú súdržnosť oboch plastových vrstiev s hliníkovou fóliou zabezpečuje špeciálna priľnavá vrstva.
Kombinirane cevi kompenzirajo slabost plastičnih cevi glede na temperaturno linearno raztezitev. Vrednosti temperaturne linearne razteznosti se približujejo vrednostim, navedenim za aluminij, npr. podjetja navajajo vrednost 0,025 mm.m-1.K-1. Dodatna prednost je, da lahko cevovod pritrdite na večji razdalji, saj je upogib po polnjenju z vodo manjši. Te cevi se odlikujejo po sorazmerni togosti, hkrati pa ohranjajo znatno upogljivost. Večplastne cevi se povezujejo mehansko ali s polifuzijskim varjenjem s fitingom. Pred varjenjem je potrebno odstraniti vse plasti do osnovne plastične cevi.
Uporabljena literatura:
Dušan Petráš: Talno toplovodno ogrevanje
Dušan Petráš: Nizkotemperaturno ogrevanje in obnovljivi viri energije
