Urządzenia elektrotermiczne zamieniają energię elektryczną na ciepło według różnych zasad działania. Do najbardziej rozpowszechnionych rozwiązań można zaliczyć urządzenia rezystancyjne, indukcyjne, pojemnościowe i promiennikowe.

Urządzenia elektrotermiczne charakteryzują się wieloma cechami, które korzystnie wyróżniają je na tle innych urządzeń grzewczych m.in.:
• brakiem produktów spalania,
• możliwością budowy urządzeń o ściśle określonej mocy,
• łatwością regulacji i sterowania,
• dużą sprawnością przemiany,
• bezpieczeństwem eksploatacji,
• swobodą projektowania kształtów i zastosowań.
Systemy ogrzewania rezystancyjnego przewodowego dodatkowo charakteryzują takie czynniki jak:
• niskie koszty inwestycyjne,
• stosunkowo niskie koszty eksploatacji,
• wysoki komfort cieplny,
• brak czynności konserwacyjnych.
Ogrzewanie przewodowe rezystancyjne może być stosowane zarówno w obiektach nowo wznoszonych, jak i remontowanych czy modernizowanych. Jest coraz częściej spotykane nie tylko w zastosowaniach przemysłowych, ale również w budownictwie. Wraz ze wzrostem częstości stosowania wzrastają wymagania stawiane układom sterowania i kontroli oraz bezpieczeństwu eksploatacji.
W budownictwie ogrzewanie przewodowe rezystancyjne stosowane jest zwłaszcza do ogrzewania:
• pomieszczeń w postaci ogrzewania podłogowego,
• podjazdów i chodników,
• schodów i tarasów,
• dachów, rynien i rur spustowych,
• rurociągów,
• bram.
W przemyśle tego typu ogrzewanie stosuje się zwłaszcza w przypadku rurociągów technologicznych, zaworów, zasuw, zbiorników itp.

Materiały do ogrzewania przewodowego

Elektryczne rezystancyjne ogrzewanie przewodowe realizowane jest za pomocą: przewodów grzejnych stałooporowych, przewodów samoregulujących moc grzewczą, mat i folii grzewczych.

Stałooporowe przewody grzejne
Stałooporowe przewody grzejne wykonane są jako jednożyłowe lub dwużyłowe. Przewody jednożyłowe są zasilane dwustronnie (na obydwu końcach), zaś przewody dwużyłowe są przeznaczone do zasilania jednostronnego. Elektryczne przewody grzejne są przystosowane do zasilania prądem przemiennym o napięciu 230 V lub 400 V. W czasie projektowania instalacji grzewczych określa się moc zainstalowaną na metr kwadratowy powierzchni grzejnej przez dobór ich mocy jednostkowej oraz przez zmianę odległości między przewodami. W zależności od przeznaczenia stosuje się przewody grzejne o mocy liniowej od 7 W/m do 30 W/m. Przewodów stałorezystancyjnych nie można ciąć.

Rys. 5. Rozkład temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym za pomocą grzejników tradycyjnych (po lewej) i z ogrzewaniem podłogowym

Przewody grzejne samoregulujące
Przewody grzejne samoregulujące zbudowane są z dwóch żył miedzianych o przekrojach od 0,5 do około 1,2 mm² zatopionych w sieciowanym materiale polimerowym o rezystancji zmieniającej się w zależności od temperatury otaczającego środowiska. Rezystancja, a zatem i wydzielona przez przewód moc grzejna jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury. Oznacza to, że:
• gdy temperatura w bezpośrednim otoczeniu samoregulującego przewodu grzejnego jest niska, to jego moc grzewcza zwiększa się; polimerowe łańcuchy rdzenia przewodu kurczą się, powodując powstanie wielu równoległych ścieżek prądowych między wbudowanymi cząsteczkami węgla,
• gdy w bezpośrednim otoczeniu samoregulującego przewodu grzewczego temperatura jest umiarkowana, to zmniejsza się jego moc grzewcza; polimerowe łańcuchy rdzenia przewodu rozszerzają się, zmniejszając tym samym liczbę przejść elektrycznych, co powoduje zmniejszenie mocy grzewczej,
• gdy w bezpośrednim otoczeniu przewodu samoregulującego temperatura jest wysoka, to jego moc grzewcza zmniejsza się praktycznie do zera; maksymalne rozszerzenie się łańcuchów polimerowych powoduje przerwanie niemal wszystkich ścieżek prądowych w rdzeniu przewodu (rys. 1).
Przewody samoregulujące mogą być cięte na odcinki o dowolnej długości lub przedłużane, co znacznie ułatwia ich montaż i wykorzystanie. Do zalet przewodów samoregulujących można zaliczyć:
• możliwość instalowania na elementach z tworzyw sztucznych,
• brak ryzyka przegrzewania,
• brak ryzyka uszkodzenia ogrzewanej powierzchni,
• możliwość cięcia na kawałki o dowolnej długości,
• możliwość układania na dowolnym podłożu,
• brak konieczności zewnętrznej regulacji temperatury,
• brak konieczności konserwacji.

Rys. 2. Ramp Mata firmy Luxbud do instalowania na zewnątrz

Maty grzewcze
Obok przewodów grzejnych stałorezystancyjnych i samoregulujących stosuje się maty grzewcze. Mogą one służyć jako podstawowy system ogrzewania lub jako ogrzewanie uzupełniające w celu uzyskania w krótkim czasie efektu „ciepłej podłogi”. Maty grzewcze są wykonane z przewodów stałorezystancyjnych. Najczęściej stosuje się je tam, gdzie użycie przewodów grzejnych mogłoby spowodować znaczne podniesienie podłogi.
Przewody mocowane są do siatki z tworzywa sztucznego. Grubość maty wynosi najczęściej 3 mm. Maty grzewcze mogą być jednostronnie lub dwustronnie zasilane napięciem 230 V lub 400 V w zależności od wykonania. Przy układaniu więcej niż jednej maty do ogrzewania dużych powierzchni należy je łączyć równolegle. Maty grzewcze wykonuje się zazwyczaj w odcinkach o szerokości 0,5 m i długości od 2 do 24 m. Moc jednostkową mat grzewczych wyraża się w W/m², zaś całkowitą moc maty w watach. Maty grzewcze najczęściej produkuje się o mocach jednostkowych 100 W/m², 160 W/m² i 300 W/m².
Mat grzejnych nie można ciąć, skracać ani zwężać. Można przecinać tylko siatkę mocującą, zwracając uwagę, aby nie uszkodzić przewodów grzejnych. W czasie montażu mat nie należy naciągać i naprężać, powinny być luźno układane na wcześniej przygotowanym podłożu i przyklejane klejem do terakoty. Maty nie powinny być układane na dylatacjach i w miejscach, na których przewidziano stałą zabudowę, np. wanny, wc czy szafki bez nóżek.
Do ogrzewania dużych powierzchni stosuje się również folie grzewcze. W folii grzewczej elementem grzejnym jest grafit. W handlu znajdują się dwa rodzaje folii grzewczych: o mocy 60 W/m² pod panele drewniane i 80 W/m² pod panele laminowane. Produkty tego rodzaju bardzo dobrze nadają się do ogrzewania płaszczyznowego, zarówno podłogowego, jak i sufitowego oraz luster. Folia po zamontowaniu tworzy dużą płaszczyznę grzejną, której temperatura nie przekracza 28^oC w przypadku podłogi i 40^oC w przypadku sufitu.

Rys. 3. Przewód grzejny VCDR firmy Elektra

Regulatory temperatury

Zadaniem regulatorów temperatury współpracujących z elementami grzejnymi i z zabezpieczeniami nadprądowymi obwodów zasilających jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkowników, zabezpieczenie przed przegrzaniem i zapewnienie komfortu cieplnego przez stałe utrzymywanie nastawionej temperatury. Regulacja i sterowanie są również podstawowymi warunkami obniżenia kosztów eksploatacji systemów grzejnych. W bogatej ofercie rynkowej można wyróżnić następujące rodzaje regulatorów temperatury:
• regulatory elektromechaniczne – stosowane głównie w pomieszczeniach, w których nie jest wymagana precyzyjna regulacja temperatury. Bezwładność tego rodzaju regulatorów zazwyczaj nie przekracza 5^oC. Regulatory wyposażone w akceleratory termiczne mają zwiększoną dokładność pomiaru do 0,5^oC. Urządzenia te wyposażone są tylko w czujniki powietrzne i przeznaczone do montażu natynkowego,
• zaletą regulatorów elektronicznych jest duża dokładność (0,3 do 0,1^oC). Mogą być one wyposażone w czujnik powietrzny, podłogowy, co zabezpiecza podłogę przed przegrzaniem. Instalowane są na tynku lub pod tynkiem, ich obciążalność wynosi 3600 W, mogą współpracować z zegarem sterującym,
• regulatory programowalne – posiadają zalety regulatorów elektronicznych i inteligentnych układów sterujących. Pozwalają na programowanie temperatury w cyklu dobowym lub tygodniowym. Na wyświetlaczu LCD użytkownik odczytuje istotne parametry. Urządzenia te mogą współpracować z zegarem sterującym, obciążalność wynosi do 3600 W, instalowane są na tynku lub pod tynkiem,
• regulatory na szynę DIN – są to regulatory temperatury z regulowaną histerezą, współpracujące z detektorami wilgoci. Ich zastosowanie jest bardzo szerokie – od kontroli temperatury w budynkach mieszkalnych, przez układy chroniące przed lodem i śniegiem (rynny, rury spustowe, zawory, podjazdy, bramy, schody) do systemów grzewczych instalacji technologicznych.

Rys. 4. Przykłady instalacji przewodu grzejnego (fot. Elektra):
a – ułożenie przewodu grzejnego Elektra VCDR w rynnie i rurze spustowej,
b – ułożenie przewodu grzejnego poniżej poziomu terenu,
c – ogrzewanie krawędzi dachu

Systemy przeciwoblodzeniowe

W budownictwie coraz szersze zastosowanie znajdują systemy przeciwoblodzeniowe podjazdów, chodników, tarasów, schodów ramp itp. Poza wymienionymi miejscami, gdzie systemy przeciwoblodzeniowe są najczęściej stosowane, przed oblodzeniem i zaleganiem śniegu można zabezpieczać krawędzie dachów, rynny, rury spustowe, parkingi, chodniki, kładki nad jezdniami, elementy anten satelitarnych, prowadnice bram przesuwnych, rurociągi, zbiorniki i urządzenia rolnicze, pomieszczenia hodowlane oraz wiele innych miejsc, gdzie zalegający śnieg i oblodzenie uniemożliwiają prawidłowe funkcjonowanie i utrzymanie bezpieczeństwa.

Ogrzewanie przeciwoblodzeniowe podjazdów, ramp, chodników
Zadaniem ogrzewania przeciwoblodzeniowego jest niedopuszczenie do gromadzenia się śniegu i lodu na chronionych powierzchniach. Systemy ogrzewania przeciwoblodzeniowego składają się z elementów grzejnych wraz z materiałami montażowymi i ze sterowania. Rodzaj i moc elementów grzejnych dobierane są w zależności od ogrzewanego obiektu i technologii wykonania.
Gdy element grzejny układany jest w piaskowej podsypce stosuje się:
• przewód samoregulujący jednostronnie zasilany o mocy zainstalowanej 300 W/m² do 400 W/m²,
• matę grzejną jednostronnie zasilaną o mocy 300 W/m²,
• przewód grzejny stałorezystancyjny dwustronnie zasilany o mocy jednostkowej 25 W/m, moc zainstalowana 250 W/m² do 400 W/m²,
Gdy element grzejny zalewany jest betonem stosuje się:
• przewód samoregulujący jednostronnie zasilany o mocy zainstalowanej 300 W/m² do 400 W/m²,
• matę grzejną jednostronnie zasilaną o mocy 300 W/m²,
• przewód grzejny stałorezystancyjny jednostronnie zasilany o mocy jednostkowej około 25 W/m, moc zainstalowana 250 W/m² do 400 W/m².

Ogrzewanie przeciwoblodzeniowe tarasów i schodów
Jeżeli element grzejny układany jest w kleju pod płytkami wykorzystuje się:
• przewód samoregulujący jednostronnie zasilany o mocy zainstalowanej 300 W/m² do 400 W/m²,
• matę grzejną jednostronnie zasilaną o mocy 300 W/m²,
• przewód grzejny stałorezystancyjny dwustronnie lub jednostronnie zasilany o mocy jednostkowej 18 W/m do 25 W/m, moc zainstalowana 250 W/m² do 400 W/m².

Ogrzewanie przeciwoblodzeniowe rynien i rur spustowych
W celu zapewnienia swobodnego odpływu śniegu, lodu i wody z rynien i rur spustowych zaleca się instalowanie samoregulujących przewodów grzejnych o mocy jednostkowej 18 W/m w suchej rynnie i 36 W/m w wodzie i lodzie. Przewód grzejny w powłoce odpornej na promieniowanie UV układa się luźno w rynnach i rurach spustowych, zarówno metalowych, jak i plastikowych. Luźno ułożone przewody nie utrudniają oczyszczania liści i innych zanieczyszczeń. Sterowanie elementami grzejnymi w rynnach i rurach spustowych wykonuje się podobnie, jak innych systemów przeciwzamrożeniowych.

Ochrona rur przed zamarzaniem
Aby uniknąć problemów związanych z zamarzaniem rur wodociągowych i kanalizacyjnych należy zastosować ich ogrzewanie przewodami grzejnymi samoregulującymi z ekranami ochronnym. Przewody należy montować pod izolacją cieplną, bezpośrednio na rurze. Do tego celu dostępne są przewody o mocy jednostkowej od 10 do 50 W/m (dot. przewodów samoregulujących). Właściwości samoregulacji mocy grzejnej przewodów zapewniają bezpieczeństwo użytkowania zarówno rurociągów metalowych, jak i z tworzyw sztucznych.

Bezpieczeństwo użytkowania

Bezpieczeństwo użytkowania systemów grzejnych rezystancyjnych zapewnione jest przez:
• budowę elementów grzejnych,
• staranność montażu elementów grzejnych,
• zabezpieczenia przeciążeniowe nadprądowe w obwodach zasilających,
• wyłączniki różnicowoprądowe wysokoczułe (I_Δ = 30 mA) w obwodach zasilających.
Do ekonomicznego sterowania systemami grzejnymi dużej mocy wykorzystuje się zazwyczaj regulatory z czujnikami temperatury i wilgotności umieszczonymi w ogrzewanej powierzchni, instalowane w rozdzielnicy na szynie DIN.

Rys. 5. Rozkład temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym za pomocą grzejników tradycyjnych (po lewej) i z ogrzewaniem podłogowym

Ogrzewanie podłogowe

Elektryczne rezystancyjne ogrzewanie podłogowe można wykorzystać jako ogrzewanie podstawowe w poszczególnych pomieszczeniach lub w całych budynkach, albo jako ogrzewanie uzupełniające. Ogrzewanie podłogowe daje przyjemne uczucie „ciepłej podłogi” zwłaszcza w łazienkach i stwarza bardzo korzystny rozkład temperatur w pomieszczeniu (rys. 5). Elektryczne ogrzewanie podłogowe jest najbardziej komfortowym rozwiązaniem ogrzewania pomieszczeń, zapewniającym odpowiednią temperaturę powietrza na każdej wysokości. Ciepło emitowane przez powierzchnię podłogi unosi się stopniowo, zapewniając optymalne warunki odpowiadające fizjologii człowieka.
Podłogowe systemy grzejne umożliwiają także swobodną aranżację wnętrz dzięki ukryciu istotnych elementów grzejnych w podłodze. Zwalniają użytkownika z jakichkolwiek czynności obsługowych i konserwacyjnych z wyjątkiem ustawienia zadanej temperatury na regulatorze, są przyjazne dla alergików i zapewniają bezpieczeństwo użytkowania.
Ogrzewanie podłogowe może być realizowane przy użyciu:
• przewodów grzejnych (kabli) stałorezystancyjnych zatopionych w wylewce betonowej,
• mat grzejnych instalowanych bezpośrednio w kleju pod terakotą,
• folii podłogowych instalowanych pod panelami podłogowymi.
Ogrzewanie podłogowe wykonuje się w zasadzie jako bezpośrednie, chociaż niekiedy spotyka się ogrzewanie akumulacyjne. W takich przypadkach masa podłogi powinna być znacznie większa niż normalnie, a izolacja cieplna tak wykonana, aby zapewnić jednokierunkowy przepływ ciepła. Jeżeli ogrzewane pomieszczenie i pomieszczenie poniżej należą do tego samego użytkownika, to nie jest potrzebna izolacja cieplna chroniąca przed przepływem ciepła do pomieszczenia poniżej i tworzy się wówczas ogrzewanie podłogowo-sufitowe.
Aby uzyskać optymalne warunki cieplne trzeba brać pod uwagę parametry cieplne budynku i lokalne warunki klimatyczne. Zapotrzebowanie na moc wyjściową zależy od charakteru pomieszczeń, współczynnika izolacyjności ścian, stropów i okien, ale przede wszystkim materiałów wykończeniowych podłóg.

Rys. 6. Ogrzewanie schodów – przewód VCD25 firmy Elektra

Podłogi ceramiczne
Najbardziej korzystne z punktu widzenia przewodzenia ciepła są podłogi ceramiczne – z gresu, terakoty itp. W tym przypadku ogrzewanie może być zrealizowane w dwojaki sposób:
• przez ułożenie przewodu grzejnego o mocy liniowej od 10 W/m do 17 W/m w wylewce betonowej o grubości 4 – 6 cm. Moc zainstalowana powinna być w granicach 100 W/m² do 170 W/m² powierzchni grzewczej. Im moc zainstalowana będzie większa, tym szybciej podłoga uzyska oczekiwaną temperaturę. W łazienkach moc grzewcza przewodów może być nieco większa – nawet do 200 W/m²,
• przez ułożenie maty grzewczej w warstwie kleju pod płytkami. Maty grzejne produkowane są w stałych mocach jednostkowych od 100 W/m² do 160 W/m². W pomieszczeniach mieszkalnych – pokojach, kuchni, przedpokoju – zwykle wystarczająca jest moc maty grzejnej 120 W/m². W łazienkach, gdzie zapotrzebowanie na ciepło jest większe, zazwyczaj instaluje się maty o mocy do 160 W/m².

Rys. 7. Mata grzejna – przykładowa aranżacja instalacji (fot. Elektra)

Podłogi z paneli
Panele należą do grupy materiałów słabo akumulujących ciepło i z natury zimnych przy dotyku. Charakteryzuje je niska odporność na znaczne i szybkie wahania temperatury. Konieczne są w tym przypadku rozwiązania ogrzewania polegające na powolnym, równomiernym podnoszeniu temperatury na powierzchni podłogi. Mata grzejna nie powinna osiągać wyższej temperatury niż 28^oC do 30^oC, co zapewnia na powierzchni paneli temperaturę w granicach 22^oC do 24^oC. Zapewnia to tzw. „ciepło dotyku” i powodują lepszy rozkład temperatur w całym pomieszczeniu.
Do ogrzewania podłóg panelowych można wykorzystać przewody grzejne zatopione w warstwie wylewki. Moc zainstalowana przewodów grzejnych nie powinna przekraczać 100 W/m². Odpowiedni rozkład ciepła zapewnią przewody o mocy liniowej 10 W/m. Między wylewką i panelami należy położyć warstwę z pianki amortyzująco-tłumiącej. Zarówno panele, jak i pianka powinny być atestowane do ogrzewania podłogowego.
Jeżeli wylewka jest już zrobiona i nie można układać przewodów grzejnych, to pod panelami można zainstalować maty grzejne przykryte folią aluminiową o mocy dobranej do ogrzewania podłóg panelowych i wynoszącej zazwyczaj 60 W/m². Folia aluminiowa zapewnia równomierny rozkład ciepła i bardzo oszczędne zużycie energii elektrycznej. Do ogrzewania podłóg panelowych mogą być również wykorzystywane folie grzejne zamontowane bezpośrednio pod panelami.

Rys. 8. Ogrzewanie podłogowe Elektra WoodTec z przykładowym umiejscowieniem regulatora temperatury

Podłogi drewniane
Podłogi drewniane mogą być ogrzewane tylko wtedy, gdy producent dopuszcza ich montaż na ogrzewaniu podłogowym. W takim przypadku ogrzewanie podłogowe nie może być stosowane jako główne źródło ciepła, lecz jedynie w celu uzyskania efektu „ciepłej podłogi”. Moc zainstalowana nie może być większa niż 60 do 80 W/m². Pod podłogą drewnianą temperatura nie powinna przekraczać 27^oC.
W przypadku podłóg drewnianych przystosowanych do ogrzewania podłogowego stosuje się zazwyczaj przewody grzejne o mocy liniowej 10 W/m ułożone na siatce metalowej między legarami. Siatka powinna być zainstalowana 2 do 3 cm nad warstwą izolacji cieplnej.

Rys. 9. Comfort Mata firmy Luxbud do zastosowań wewnętrznych

Regulacja temperatury
Aby uzyskać pełny komfort ogrzewania podłogowego przewody grzejne lub maty powinny współpracować z regulatorami temperatury czyli termostatami. Zadaniem termostatu jest utrzymanie stałej, ustalonej przez użytkownika temperatury podłogi, a przy stosowaniu ogrzewania podłogowego jako głównego systemu ogrzewania pomieszczeń, również utrzymanie zadanej temperatury w pomieszczeniu. Termostaty mogą być montowane na ścianach pomieszczeń lub w rozdzielnicy.

Rys. 10. Mocowanie przewodu grzejnego Elektra VC za pomocą siatki metalowej

Rys. 11. Comfort Folia firmy Luxbud – do zastosowań wewnętrznych

Sufity i lustra
Do ogrzewania sufitowego wykorzystuje się elektryczne folie grzewcze zamontowane nad płytą kartonowo-gipsową. Folie grzewcze mogą być również wykorzystywane do ogrzewania podłogowego pod panelami laminowanymi i drewnianymi.
W łazience do ochrony luster przed zaparowaniem stosuje się gotowe folie grzejne samoprzylepne, które umieszcza się na tylnej powierzchni lustra. Folia, np. w czasie kąpieli chroni lustro przed zaparowaniem. Folię najlepiej włączać wraz z oświetleniem lustra. Pracuje ona bez termostatu.

Rys. 12. Ogrzewanie z wykorzystaniem folii grzewczej (fot. Luxbud)

Garaże i piwnice
W garażach i w piwnicach zainstalowana moc grzejna powinna wynosić od 80 W/m2 do 100 W/m².

Opracowano na podstawie
materiałów firm Elektra, Raychem,
Emultimax, Luxbud