Гріючий кабель як тепла підлога

Система опалення «тепла підлога» давно довела свою ефективність і комфорт, тому широко застосовується в усьому світі. Принциповим є питання, яке джерело енергії використовується для отримання тепла? Поки існує сучасна різниця в цінах на енергоносії, людині дешевше спалювати тверде паливо або вуглеводні, нагрівати отриманим теплом воду, а потім вже прокачувати її по трубах теплої підлоги. Але набагато зручніше використовувати гріючий кабель як теплий пол, а не складну систему трубопроводів, колекторних вузлів і насосів. Домінування вуглеводнів на енергетичному ринку не буде вічним, і більш зручна для передачі і застосування електрична енергія неминуче буде застосовуватися для опалення все ширше.

Теоретичний лікнеп кабельного обігріву

Як відомо з шкільного курсу фізики, електричний струм — це не що інше, як спрямований рух заряджених частинок під впливом електричного поля. Якщо яку-небудь речовину має такі вільні заряджені частинки, які зможуть рухатися, то його називають провідником, а якщо ні, то діелектриком. Ті речовини, які можуть змінювати кількість частинок в залежності від якихось зовнішніх чинників називають напівпровідниками. У звичних металах заряд переносять електрони, у електролітах – катіони і аніони, а в газах електрони і івони.

Будь провідник не пропускає потік заряджених частинок безперешкодно, а надає йому певний опір, який фізично пояснюється тим, що частинки стикаються з атомами провідника, «розхитують» їх, втрачаючи свою енергію, і в результаті енергія електричного струму частково перетворюється у внутрішню енергію провідника, що виражається в його нагріванні.

Здатність провідника чинити опір протіканню електричного струму абсолютно логічно назвали опором.

Як видно з формули, опір залежить від питомого опору, яке відноситься до довідкових даних (воно незмінно для конкретного матеріалу), довжини провідника і площі його поперечного перерізу. Питомі опору різних провідників можна подивитися в таблиці.

Очевидно, що для передачі електричної енергії треба застосовувати матеріали, що мають найменший питомий опір — тоді і відсоток втрат буде низький. Це алюміній, мідь і сталь великого перерізу для виготовлення кабелів, проводів, ліній електропередач. В електроніці застосовуються: срібло, золото, олово, платина.

Якщо провідники будуть використовуватися для нагріву, то шкідливі для передачі втрати енергії властивості виявляються дуже корисними для отримання тепла, тому і вибираються матеріали з великим питомим опором: вольфрам, ніхром, оцинкована сталь, різні сплави, які виробник нагрівачів може тримати в секреті.

Для оцінки кількості теплової енергії, яку може виділити провідник при протіканні через нього електричного струму, застосовується закон Джоуля — Ленца, відкритий ще в XIX столітті.

Згідно з цим законом, кількість теплоти Q дорівнює роботі A, і воно безпосередньо залежить від квадрата сили струму – I, опору – R, і проміжку часу Δt.

З наведеної схеми видно, що в замкнутому ланцюзі тече струм, що вимірюється амперметром, причому він буде однаковий на кожному її ділянці. У резервуарі з водою знаходиться нагрівальний елемент R, опір якого більше інших провідників настільки, що ними можна знехтувати. Згідно закону Джоуля — Ленца, на опорі R, буде виділятися певна кількість теплоти, вона почне підігрівати воду в резервуарі, тоді як на інших ділянках ланцюга тепло не виділиться. Реостатом можна змінювати струм в ланцюзі, відповідно буде змінюватися кількість виділеного тепла.

Саме дія цього закону ми бачимо на прикладі електрочайників, прасок, бойлерів, де опір їх термоелектричних нагрівачів – ТЕН, набагато більше, ніж електропроводки. Тому і тепла вони виділяють більше. Гріючий кабель являє собою той же ТЕН, тільки має велику довжину, тому виділення тепла відбувається не локально, а по всій довжині кабелю. Виділене кабелем тепло передається на будівельні конструкції, в тому числі на покриття підлоги. Гріючі кабелі можуть прокладатися в матеріалі стяжки, в плитковому клеї, у спеціальних збірках з металу. Підвідні силові кабелі, що мають низький опір, називають «холодними» або монтажними кінцями.

Класифікація нагрівальних кабелів

Здавалося б, чого простіше? Треба взяти матеріал, що має високий питомий опір, зробити з нього кабель, підрахувати виділяється їм тепло і все готово. Але на ділі це все далеко не так, нагрівальні кабелі повинні відповідати набору певних вимог, про які буде розказано нижче.

В кабельних системах обігріву (КСВ) можуть застосовуватися абсолютно різні по конструкції, застосовуваних матеріалів, питомої потужності кабелю, в залежності від призначення:

• Опалення приміщення. Перш за все, використовується система «тепла підлога», але ще застосовують і теплі стіни і навіть теплий стелю. Зазвичай електричні теплі підлоги роблять для комфорту або додаткового опалення в доважок основній системі. В якості основного джерела тепла їх застосування не рекомендується через нерентабельність і в більшості випадків неприпустимо, так як ніяка електропостачальна організація не видасть дозволу на виділену потужність.

• Обігрів покрівлі та водостоків найефективніше за допомогою нагрівальних кабелів, так як вони рятують від дорогого ремонту даху, а також виключают травматизм від падаючих бурульок.

• Обігрів ґанків, сходів, пандусів, в’їзду в гараж, простір під воротами в’їзду на територію будинку. У зимовий час вигоди від комфорту і безпеки при призміні КСВ в цих місцях відчутні.

• Обігрів трубопроводів в приватних будинках. Труби завжди необхідно прокладати нижче глибини промерзання грунту, але буває, що в місцях виходу, проходу через фундамент, навіть теплоізоляція не допомагає вберегти труби від промерзання. Нагрівальні кабелі – найкраще спасіння.

Резистивний нагрівальний кабель

У самій назві цього виду кабелю мається на увазі, що він являє собою резистивне навантаження — свого роду витягнутий провідник, що має постійне опір, який більше, ніж опір «холодних кабелів»: силових та монтажних. Нагрів відбувається провідними мідними або зі спеціального сплаву, нагрівальними жилами, укладеними в ізоляцію. Поверх ізоляції обов’язково застосований екран з мідної обплетення або фольгированной оболонки разом з дренажної житловий.

Екран виконує дуже важливі функції:

• Екран зменшує електромагнітне випромінювання, яке притаманне будь-яким провідникам з струмом, особливо змінним.
• Екран підключений до заземлення (провідника PE), яке є частиною системи зрівнювання потенціалів (СУП). Якщо відбудеться пробій ізоляції, токи витоку замкнуться на екран, і підуть у землю, що захистить людину від ураження електричним струмом. Додатково це викличе спрацьовування автоматичних вимикачів, пристроїв захисного відключення (УЗО).

Резистивні кабелі по своєму виконанню бувають:

• Одножильний резистивний кабель – для нагрівання використовується одна струмопровідна жила. Це самий недорогий вид гріючих кабелів потрібнут тщательной укладання, так як початок і кінець кабелю повинні сходиться в одній точці і підключатися до спеціальних регулюючих пристроїв – термостатам.
• Двожильний нагрівальний кабель в центральній частині має дві жили, укладені в екран. При цьому або обидві жили можуть бути нагрівальними, або одна нагрівальна жила, а інша живить або як її називають – поворотна. На кінці секції двожильного кабелю є спеціальна кінцева муфта, яка з’єднує дві нагрівальні жили і ізолююча кабель. Переваги двожильного кабелю очевидні — для його укладання його просто треба укласти за схемою змійкою, без потреби повертати назад до термостата. Рівень електромагнітного випромінювання у двожильного кабелю набагато менше, ніж одножильного, так як в гріючих жилах струми течуть зустрічно. Очевидно, що такі кабелі дорожче.

Резистивні кабелі продаються готовими секціями, що мають фіксовану довжину, яку категорично не можна змінювати. Чому? Справа в тому, що найважливішою характеристикою будь-якого нагрівального кабелю є питома потужність, що виділяється одним з погонного метра кабелю. Вона повинна бути в діапазоні 10-20 Вт/м і в жодному разі не більше, так як це призведе до перегріву кабелю і виходу його з ладу. Наприклад, при укороченні резистивного кабелю вдвічі, опір зменшується наполовину, що за законом Джоуля-Ленца веде до двухкратному зростання кількості теплоти, а на це не розрахований матеріал кабелю.

Довжину секції підбирають виходячи з розрахунків. Виробники випускають комплекти з секції довжиною від 10 до 110 метрів, так що підібрати потрібний кабель з потрібною питомою потужністю завжди можливо. Існують резистивні кабелі на котушках, з яких можна відрізати будь-яку довжину, але це прерогатива фахівців здатних робити потрібні розрахунки.

Переваги резистивного кабелю, що гріє:

• Розумна вартість.
• Сталість характеристик.
• Відсутність пускових струмів не вимагає застосування спеціальних автоматичних вимикачів типу C.

Недоліками резистивного кабелю є:

• При безграмотному монтажі є небезпека локального перегріву, що призведе до виходу з ладу кабелю.
• Неможливість зменшувати довжину кабелю, що гріє без зміни характеристик.
• Кабелю потрібно забезпечити потрібні параметри тепловіддачі.

Резистивний зональний (секційний) кабель

Еволюцією розвитку резистивних гріючих кабелів стало винахід зонального (секційного) кабелю, в якому по центру проходять два провідника низького опору, укладених в ізоляцію. Поверг проводников намотана спіраль з дроту з високим опором. Через певний проміжок (зазвичай 1 метр) ця дріт підключається поперемінно до одного, а потім до іншому центральному провіднику. Очевидно, що в цьому випадку кожна ділянка (зона) буде представляти собою незалежний від інших нагрівальний елемент, подібно паралельному підключенню резисторів.

Переваги зонального кабелю:

• Однакова питома потужність кабелю по всій довжині.
• Стабільність характеристик.
• При запуску не споживає великі струми.

Недоліки зонального резистивного кабелю:

• Небезпека локального перегріву.
• Необхідність забезпечення тепловіддачі.
• Більш висока вартість в порівнянні зі звичайними резистивними кабелями.

Нагрівальні мати

Для полегшення процесу укладання теплої підлоги, виробника роблять спеціальні нагрівальні мати, де кабель з необхідним кроком прикріплений до полімерної сітки. Такі мати дуже зручно укладати на рівну основу перед укладанням керамічної плитки. Їх можна монтувати прямо в шар плиткового клею, в цьому їх головна перевага. Правда, треба уважно стежити, щоб не залишалося повітряних порожнин, які викликають локальний перегрів.

В приміщеннях зі складною геометрією можуть виникнути складнощі при укладанні матів. В цьому їх головний недолік.

Саморегулюючий нагрівальний кабель

Флагманом серед усіх гріючих кабелів є саморегулюючий нагрівальний кабель, який може змінювати температуру нагріву, а, значить, і тепловиділення в залежності від навколишньої температури.

Між двома провідниками запресована спеціальна полімерна матриця з властивостями напівпровідника. При зниженні температури матриця стискається, але в ній утворюється безліч теплопровідних шляхів з високим опором. Протікає струм викликає нагрівання матриці і кабелю. При підвищенні температури відбувається розширення полімеру і зменшення кількості шляхів протікання струму і, зрештою, настає такий момент, коли струми стають мізерно малі, що призводить до припинення нагрівання кабелю. Кожна ділянка кабелю працює автономно.

Поверх напівпровідникового полімеру існує шар термостійкої ізоляції, потім мідний чи сталевий екран і ще один шар ізоляції. Кожен кабель має свою залежність погонною (питомої) потужності від температури і підбирається виходячи з умов експлуатації і призначенням.

Переваги саморегульованих кабелів:

• Економія електроенергії, яка відбувається за рахунок нагріву тільки недостатньо теплих ділянок.
• Незалежність питомої потужності від довжини кабелю.
• Цей кабель «прощає» помилки монтажу. Навіть перехльости кабелю не призведе до його перегріву і виходу з ладу.

Недоліки саморегульованих кабелів:

• Ці кабелі мають високі стартові струми, особливо якщо є довгі холодні ділянки. Це зобов’язує ставити захисні автомати класу C, що дозволяють десятикратні стрибки струму в порівнянні з номінальним.
• Полімерна напівпровідникова матриця має обмежений термін служби.
• Висока цєна такі кабелі часто робить їх застосування сумнівною вигодою.

Гріючий кабель як теплий пол

При плануванні облаштування електричного теплого статі в приміщеннях спочатку потрібно визначитися, яку функцію він буде виконувати.

Гріючий кабель для теплих підлог прямої дії

Теплі підлоги прямої дії зазвичай розташовуються в тонкому шарі стяжки безпосередньо перед підлоговим покриттям, наприклад, в шарі плиткового клею. Головним завданням таких підлог є швидкий прогрів поверхні підлоги до комфортної температури 24-27 °C. Для цих цілей ідеально підходять мати з тонким кабелем, а також резистивний одножильний або двожильний нагрівальний кабель. Потрібні характеристики можна подивитися в таблиці.

Необхідна встановлена потужність досягається кроком укладання кабелю, щоб на одному квадратному метрі було укладено стільки кабелю, який забезпечить необхідну потужність. В залежності від площі приміщення обчислюється загальна довжина нагрівального кабелю. Методика розрахунків теплої підлоги наведена в окремій статті по цій темі.

В теплих підлогах прямої дії теплоізоляція може не використовуватися, або бути мінімальної товщини, так як завданням їх є нагрів поверхні, а не основне опалення. При нагріванні дерев’яних підлог застосовується утеплювач між лагами, а також спеціальна металева сітка, що розподіляє тепло і екран з фольги, відображає тепло у бік підлоги.

Гріючий кабель для термоаккумулирующих теплих підлог

Акумулюючі теплі підлоги вимагають обов’язкової теплоізоляції, так як вони обігрівають бетонну стяжку значної товщини: від 5 до 15 см, яка буде накопичувати тепло. Такі підлоги краще підігрівати під час знижених тарифів на електроенергію, а в інший час тепло буде поступово віддаватися в приміщення. Товстий шар утеплювача значно знизить витоку тепла вниз.

Такі підлоги краще робити в тих приміщеннях, де будуть покладені покриття з високим термічним опором: паркетна дошка, ламінат, ковролін. Тоді і передача тепла відбуватиметься дуже м’яко, що тільки підвищить комфорт. Така система обігріву підлоги може виступити вже в якості основного опалення.

Кабель теплої підлоги укладається в середньому шарі стяжки, для більш рівномірного розподілу теплової енергії. З таблиці видно, що кабель для такої системи має застосовуватися з більш високою питомою потужністю в поєднанні з металевою сіткою, яка допоможе розподіляти тепло і буде армуючим елементом стяжки. Враховуючи, що кабель буде захований в товстому шарі стяжки, яка забезпечить тепловідвід, найкраще для акумулюючих теплих підлог застосовувати двожильний резистивний кабель з питомою потужністю 20 Вт/м. Також може застосовуватися і саморегулюючий кабель, але його ціна в 3-5 разів вище резистивного.

Застосування таких систем обігріву обмежена з двох причин:

• Вартість обігріву електричною енергією поки висока в порівнянні з газовим опаленням.
• Виділеної на квартиру або будинок потужності може просто не вистачити для нагріву акумулюючих теплих підлог.

Загальні вимоги до гріючим кабелях теплої підлоги

Тимчасові технічні вимоги від 2003 року регламентують порядок застосування гріючих кабелів. Їх цього об’ємного документа зробимо найважливіші витримки.

• Для особистого користування рекомендується застосовувати КСВ тільки для комфорту та доповнення до основної системи опалення.
• В теплих підлогах прямої дії і для підігріву підлоги з дерева кабель не повинен мати номінальну потужність більше 2 кіловат.
• У термоаккумулирующих підлогах і при підігріві зовнішніх сходів і пандусів максимальна номінальна потужність кабелю – 4 кіловата.
• Повинно дотримуватися залізне правило: одне приміщення – один кабель. Винятком є приміщення понад 25 кв. м.
• Гріючий кабель не повинен переходити в інші приміщення.
• Нагрівальний кабель не повинен прокладатися під стаціонарно стоїть меблями.
• В комплекті до гріючим кабелях завжди йдуть монтажні планки і інші аксесуари. Саме їх і треба використовувати, ніяка самодіяльність не вітається.

• Кабель повинен укладатися у формі змійки і при цьому повинні дотримуватися правила:
  • Дотику, перетинання, закручування і утворення петель на кабелі не допускається.
  • Від меж зони укладання до країв кабелю має бути відстань, що не менше кроку укладання.
  • Від металевих конструкцій і елементів проводки кабель повинен мати дистанцію не менше 50 мм, від дерев’яних конструкцій – 30 мм, а від елементів інших систем опалення – не менше 500 мм
  • Крок укладання завжди повинен бути більше 6 — 10 зовнішніх діаметрів.
  •  Відстань між ділянками покладеного кабелю повинно бути більшим або рівним кроку укладання.
  • Вся гаряча частина кабелю повинна знаходитися в однорідному матеріалі.
  • Для кабелю усередині стяжки крок не більше 20 см, а в підлогах прямої дії – 10 див.
• Всі кабелі повинні підключатися через терморегулятор, має температурний датчик. Пряме підключення до мережі допускається тільки у виняткових випадках для саморегульованих кабелів.

• Терморегулятор повинен розташовуватися на відстані 0,5—1,5 метра над рівнем підлоги.
• Датчик температури підлоги повинен розташовуватися на відстані не менше 0,5 метра від стін, підключатися тільки мідним дротом, поміщених в гофровану пластмасову або металеву трубку.
• Всі з’єднання гріє і живлячих кабелів повинні відбуватися на терморегуляторах, в розподільних коробках і електрощитах за допомогою клем. Ніякі скрутки неприпустимі.
• Силові кабелі повинні бути захищені автоматичними вимикачами відповідних номіналів, а для захисту людей обов’язково застосування ПЗВ з диференціальним струмом спрацьовування не більше 30 мА.

• Монтаж КСВ повинен вести тільки кваліфікований персонал, який має відповідний допуск.

Висновок

• Гріючий кабель рекомендовано використовувати для теплих підлог. Найбільш кращим способом застосування є система прямого нагріву або «тонкий стать».
• Серед усього розмаїття гріючих кабелів краще всього по співвідношенню ціна — якість використовувати резистивний кабель двожильний.
• Вибір потрібного кабелю з необхідної питомою потужністю, його довжину і крок укладання отримують в результаті розрахунків.
• Змінювати довжину секції резистивного кабелю (крім зонального) неприпустимо.

Відео: Монтаж кабелю теплої підлоги Devi

Відео: Монтаж нагрівальних матів