Podlahové vytápění
Například i když sálavé velkoplošné podlahové kúrení s teplým vzduchem v kanálikách podlahy je už známo více než dvě tisíciletí, resp. teplovodné sálavé velkoplošné vytápění se zabetonovanými vytápěcími trubkami ve stavební konstrukci (strop, stěna a podlaha) téměř 100 let, v realizaci výrazně převažují vytápěcí systémy s tradičními vytápěcími tělesy - radiátory a s konvekčním odváděním tepla do interiéru.
Takže základní otázka zní: proč konvekční a ne sálavé vytápění?
SÁLAVÉ VYTÁPĚNÍ
Při sálavém vytápění interiérů se využívá sálavý tepelný tok vytápěcí plochy (tělesa), kterým se přímo, t.j. bez prostřednictví interiérového vzduchu, zahřívají okolité stavební konstrukce interiérů a jen velmi malou část tepelného toku odovzdá sálavá plocha konvekcí přímo vzduchu ve vytápěném interiéru (tedy opak konvekčního vytápění interiéru konvekčním vytápěcím tělesem). Proto i vnitřní povrchové teploty stavebních konstrukcí, které vytvárají interiér jsou při sálavém vytápění vyšší než teplota vzduchu v takto vytápěném interiéru (opět opak konvekčního vytápění interiérů).
Tepelné paprsky, které vysílá (vyzařuje) povrch zahřátých tuhých těles (sálavých vytápěcích ploch) jsou vlastně elektromagnetické vlny s délkou vlny 0,78 až 400, t.j. v rozsahu infračervené části spektra elektromagnetických vln, šířící se rychlostí 300 000 km.s-1.
ŠÍŘENÍ TEPLA PRI SÁLAVOM VYTÁPĚNÍ
Při teoretickém řešení vytápěcích systémů v interiérůch objektů pozemních staveb je třeba vždy určit vytápěcí výkon tedy tepelný tok, který je potřebný na zajištění požadované tepelné pohody pro člověka - uživatele.
Vytápěcí výkon se ve vytápěcí technice nejčastěji počítá z podmínek tepelné rovnováhy vytápěného prostoru (interiéru, místnosti atd.) a to v ustáleném stavu. Přesně při tomto výpočtu je třeba zásadně rozlišovat konvekční vytápění (kde vytápěcí těleso odovzdává do vytápěného interiéru tepelný tok zvětša konvekcí) a sálavé vytápění, čiže podlahové kúrenie (kde vytápěcí plocha odovzdává tepelný tok do vytápěného interiéru zvětša sálením).
Z uvedených úvah vyplývá, že při sálavém způsobu vytápění odovzdává vytápěcí plocha tepelný tok sálením - bez prostřednictví vzduchu interiéru okolitým ochlazeným plochám interiéru, přičemž platí, že účinná teplota (t.j. průměrná teplota okolitých ploch) je větší než teplota vzduchu.
Je tedy zřejmé, že při sálavém vytápění se podstatná část tepla šíří sálením a jen malé množství tepelného toku se odovzdá konvekcí. Proto při výpočtu vytápěcího výkonu musíme určit:
- tepelnou rovnováhu sálavé vytápěcí plochy,
- tepelnou rovnováhu vzduchu,
- tepelnou rovnováhu sálavé vytápěcí plochy a vzduchu,
- tepelnou rovnováhu vytápěného prostoru.
Druhy sálavého vytápění
V současnosti můžeme sálavé vytápění rozdělit takto:
- velkoplošné vytápění (stropní, stěnové a podlahové vytápěcí plochy), známé jako podlahové kúrenie
- celkové vytápění zavěšenými sálavými panely,
- individuální vytápění blízkými deskami (sálavé panely),
- vytápění infračervenými žářiči.
Z rozdělení je vidět, že v principu sálavá vytápěcí plocha může být umístěna ve stavební konstrukci jako její nedělitelná součást (velkoplošné vytápěcí systémy) nebo je vytvořena jako samostatná vytápěcí plocha volně umístěná v prostoru (sálavé panely, vytápěcí desky, infražářiče).
Pokud vycházíme z uvedené konstrukční odlišnosti, potom jsou zásadní rozdíly i vzhledem k povrchové teplotě vytápěcích ploch, tím následně i na volbu tepelného média a jeho teplotu a nakonec i s tím souvisícím specifickým tepelným výkonem sálavé vytápěcí plochy.
VELKOPLOŠNÉ SÁLAVÉ VYTÁPĚNÍ
Vytápěcí plocha při velkoplošném sálavém vytápění je obvykle některá ze stěn, které ohraničují vytápěný prostor a to buď strop, stěna nebo podlaha.
Povrchová teplota vytápěcí plochy musí být poměrně nízká (40 až 45 °C při stropním, 55 až 60 °C při stěnovém a 25 až 30 °C při podlahovém vytápění), z čehož vyplývá, že i teplota média bude rovněž nízká. Vytápěcí plocha se může zahřívat :
- teplou vodou (nejčastěji),
- teplým vzduchem,
- elektricky (odporově).
Z uvedeného je zřejmé, že systémy velkoplošného sálavého vytápění pracují s nižšími teplotami tepelného média. Tyto nízkoteplotní systémy jsou vhodné na využití energie získané z nízkopotenciálních energetických zdrojů, kterými jsou geotermální vody, solární energie, příp. odpadové teplo a teplo prostředí. Vytápěcí plochou při velkoplošném vytápění je některá ze stěn ohraničující vytápěný prostor. Podle použité plochy rozdělujeme velkoplošné systémy na:
- stropní
- stěnové.
Od konvekčního vytápění vytápěcími tělesy se velkoplošné sálavé vytápění liší způsobem přenosu tepla a tepelnými poměry v místnosti. Při konvenčním vytápění zahřívá vytápěcí těleso vzduch v místnosti, který odovzdává teplo stěnám. Teplota vnitřního vzduchu je vyšší než teplota stěn. V místnosti vzniká charakteristické proudění vzduchu a v jeho důsledku poměrně velký rozdíl teplot vzduchu pod stropem a u podlahy.
Při velkoplošném vytápění se přenos tepla uskutečňuje sálením a konvekcí. Podíl sálavého tepla při stropním vytápění je 80%, při stěnovém 65% a při podlahovém vytápění je 55%.
Konstrukční vyhotovení vytápěcí plochy bývá velmi různorodé. V zásadě rozlišujeme dvě základní řešení:
- vytápěcí plocha je zabudovaná, tedy je nedělitelnou součástí stavební konstrukce,
- vytápěcí plocha je samostatná, je to zahřátá deska, a to:
- buď upevněná na některé ze stavebních konstrukcí,
- nebo umístěná volně ve vytápěném interiéru.
V prvním případě se povrch plochy stavební konstrukce zahřívá teplou vodou proudící trubkovými hady (registry), přičemž tyto trubky jsou zabetonované ve stavební konstrukci. Při vyhotovení sálavého vytápění se až dodatečně, v ukončené stavbě, zavěšují vytápěcí hady pod nosný strop a v podhledu se zakryjí vrstvou omítky. Sálavé vytápěcí desky, které se umisťují na stavební konstrukce v místnosti (nebo i volně v prostoru), jsou nejčastěji kovové nebo keramické a skleněné. Tyto desky se zahřívají obvykle elektricky.
VELKOPLOŠNÉ PODLAHOVÉ KÚRENIE
Ak je vytápěcí had (register) součástí podlahy daného interiéru, hovoříme o velkoplošném podlahovém vytápění. V současnosti jde o vytápěcí systém, který vzhledem na mnohé pozitivní vlastnosti, prožívá určitou renesanci a v čím dál větší míře se začíná používat ve bytové výstavbě (zejména v rodinných domech), ve výstavbě občanských vybavení (mateřských školách, jaslech, telocvičnách, plaveckých halech a pod.), ale i ve velkoprostorových halách (hromadné garáže, průmyslové závody, zemědělské stavby).
Velkoploché podlahové kúrení se v minulosti používalo jako doplněk k stropnímu vytápění, pokud plocha stropu nestačila na pokrytí tepelných ztrát. Výraznějšímu rozšíření podlahového vytápění bránila i požadavek nízké teploty povrchu podlahy, s čím souvisel i malý tepelný výkon. Nové konstrukce, architektonické návrhy, zlepšení tepelně-technických vlastností budov a progresivní konstrukční materiály pro výrobu vytápěcích systémů v současnosti umožnily vznik množství systémů podlahového vytápění.
Výběr podlahového vytápění je v první řadě determinován samotným objektem. Ten musí splňovat tepelně-technické vlastnosti tak, že průměrná tepelná ztráta by měla být menší než 20 W.m-3, příp. průměrná roční spotřeba tepla nižší než 70 až 80 kWh.m-2. Z uvedeného je zřejmé, že minimální energetická náročnost je v první řadě způsobena samotným objektem, následně provozním režimem s možností akumulace tepla v podlaze s tepelnou setrvačností přibližně 4 až 8 h a s vysokým stupněm samořízení.
Optimální tepelný stav interiérů s podlahovým vytápěním bývá zvyčejně zajištěn o 2 až 4 K nižšími výslednými teplotami, než při konvekčním vytápění, současně s téměř ideálním vertikálním i horizontálním teplotním gradientem.
PODLAHOVÉ TEPLOVODNÍ VYTÁPĚNÍ
Z předchozího konstatování je zřejmé, že podlahové teplovodní vytápění patří mezi sálavé vytápěcí systémy, přičemž však podíl sálavé složky na celkovém přenosu tepla z vytápěcí plochy je jen o něco vyšší než tok tepla konvekcí (55 % : 45 %). Zároveň to velmi vhodně vzájemně ovlivňuje výhody obou způsobů transferu tepla do interiéru.
Podlahové teplovodní vytápění je zároveň velkoploché, t.j. vytápěcí trubky jsou součástí podlahové konstrukce. Vzhledem na hygienické požadavky, které souvisí s omezenou povrchovou teplotou podlahy, a tím i relativně nižšími specifickými tepelnými výkony vytápěcí podlahy, jsou vytápěcí trubky téměř vždy uložené pod celou plochou podlahy. To mimochodem pozitivně ovlivňuje rovnoměrnost přenosu tepla v interiéru a napomáhá vytvářet teplotně homogenní uniformní prostředí, či už ve vertikálním nebo i horizontálním směru.
Teplota vytápěcí vody je obvykle nižší než 50 °C, takže zároveň můžeme mluvit o podlahovém teplovodním vytápění i jako o nízkoteplotním, což má více výhod. Jednak zajištění podstatných úspor tepelné energie při provozu, současně umožnění aplikace netradičních nízko-potenciálních energetických zdrojů, jako je sluneční záření, energie geotermálních vod, příp. tepelná čerpadla využívající teplo prostředí.
Právě tyto fakta zařazují podlahové teplovodní vytápění mezi progresivní vytápěcí systémy, garantující všechny tři E, t.j. energetické, environmentální i ekonomické aspekty vytápění budov. Na straně druhé, ačkoliv existuje tento způsob vytápění už před více než 2 000 roky, dochází k jeho největšímu rozkvětu a renesanci právě dnes.
Proto je potřeba teoreticky exaktně definovat zásady pro praktické uplatnění podlahového teplovodního vytápění, což souvisí s výběrem, výpočtem, návrhem, posouzením, konstrukcí, montáží, regulací, provozem a aplikacemi.
VÝBĚR BUDOV PRO PODLAHOVÉ KÚRENÍ
Někdy každý stavební objekt není vhodný pro aplikaci systému podlahového vytápění, je nezbytné, aby se při výběru budovy zabezpečily požadavky:
- tepelně-technické,
- hygienické,
- energetické.
STANOVENÍ ROZHODOVACÍCH TEPELNĚTECHNICKÝCH VELIČIN
Tepelně-technické vlastnosti stavebních konstrukcí a budov se zabezpečují veličinami:
- tepelného odporu stavebních konstrukcí,
- teplotního tlumení stavebních konstrukcí,
- tepelné přijatelnosti podlahových konstrukcí,
- množství skondenzované a vypařené vodní páry ve stavebních konstrukcích,
- vzduchové propustnosti stavebních konstrukcí, jejich štěrbin styků,
- tepelnou stabilitou místnosti,
- spotřebou energie na vytápění.
Při návrhu stavebních konstrukcí a budov vymezených stanoveným stavem vnitřního prostředí jsou požadovaná kritéria minimální teploty vnitřního povrchu podle čl. 3 STN 73 0540 a maximální spotřeby energie na vytápění podle čl. 21 STN 73 0540.
VYTÁPĚCÍ TRUBKY
Nejdůležitějším článkem vytápěcí podlahy jsou vytápěcí trubky, proto dále budeme podrobněji charakterizovat:
- trubky na vytápění,
- trubky na podlahové kúrení.
TRUBKY NA VYTÁPĚNÍ
V současnosti při ústředním vytápění nejčastěji používáme tento potrubní materiál:
- kovové trubky,
- plastové trubky,
- kombinované trubky.
KOVOVÉ TRUBKY
Používá se ocel (černá), pozinkovaná, nerezová a měď. Různorodý je materiál fitinků a spojek (temperovaná litina, mosaz, bronz, červený kov atd.). Různorodost materiálů je příčinou kontaktové koroze, která má velký vliv na životnost vytápěcího zařízení.
a) Ocelové trubky
Patří mezi klasické potrubní materiály. Nejčastěji se používají ocelové hladké bezšvové trubky. Svařování se ustálilo na svařování a prostorové změny v potrubní síti se vytvářejí ohýbáním za tepla. Závitové spoje se používají jen na připojení armatur a vytápěcích těles. Více než stovětními zkušenostmi se podařilo odstranit většinu nedostatků. Zůstává jen vysoká náročnost na svařečskou činnost. Právě tato okolnost stojí nyní proti zavádění tenkostěnných ocelových uzavřených obdélníkových profilů, protože zrcadlový svar není oblíbený a dnes se už běžně neovládá.
b) Pozinkované ocelové trubky
Pozinkované ocelové trubky jsou jedním z nejstarších potrubních materiálů, který však vyžaduje dokonalé remeselné zpracování. Zinková vrstva nemá vždy stejnou tloušťku a stejnou kvalitu. Při použití moderních závitorezů potom při vytváření závitu často dochází k výraznému místnímu zeslabení nosné části trubky. Tato okolnost spolu s odstraněním pozinkovaného povrchu je příčinou štěrbinové koroze. Protože šroubovací spoje vyžadují odbornost a jsou časově náročné, pokud je možné, se nahrazují svařováním. Lze však konstatovat, že používáním silnostěnného potrubí se už na ústupu.
c) Nerezové trubky
Zdánlivě ideální nerezové potrubí narazilo při realizaci na problém spojování. Svařování v tomto případě vyžaduje vysoko špičkový technologický postup, protože jinak dochází k nežádoucím transkristálním deformacím. Také při pájení tvrdým stříbrem se často vyskytuje nebezpečí koroze v oblasti styku tavidla s nerezovým povrchem. Až začátkem sedmdesátých let nastal zásadní obrat, kdy firma Mannesmann vyvinula spojování nerezových trubek lisovanými objímkami z autentické nerezové oceli.
Tento druh spojovací techniky se postupně rozšířil i na jiné druhy potrubí (např. plastové, kde se používají většinou mosazné lisované objímky). Zlisováním objímky speciálním ručním elektrickým nástrojem vznikne přibližně za 6 sekund vodotěsný spoj mezi trubkou a objímkou. Jedinou slabinou se zdá být zalisovaný těsnicí o-krúžek, umístěný na konci objímky, který je obyčejně z butylkaučuku. Názory na životnost tohoto materiálu se od sebe liší a zatím se eště nezískaly dostatečně dlouhodobé zkušenosti.
d) Měděné trubky
Měď patří mezi nejvyšší kvality potrubních materiálů. Je však zásadně nutné dodržovat dávkování inhibitoru do topné vody. Reakcí vody s měděným povrchem vzniká jednak ochranná vrstva oxidu měďnatého a jednak se uvolňují ióny mědi. Pokud se stane z neznalosti nebo z nevyhnutnosti, že za úsekem měděného potrubí je umístěno ocelové (dokonce pozinkované) potrubí nebo hliník, dojde k intenzívnímu korozi tomto povrchu. Zde může pomoct vhodný inhibitor.
Velmi důležitým pracovním postupem je spojování měděného potrubí. Spojuje se velmi výhodně pájením na měkko nebo na tvrdo. Pájí se na měkko podle druhu použitého páječe při teplotě 230 až 240 °C a při pájení na tvrdo při 710 až 730 °C. Tyto teploty je nutné vždy bezpodmínečně dodržovat. Používají se pouze vodou rozpustná tavení, jejichž zbytky se proplachováním z potrubí vyplaví.
Při dodržení podmínek spojování a použití dezoxidované mědi SF-Cu s obsahem mědi minimálně 99,9 % je záruka vysoké odolnosti proti korozi a dostatečné pevnosti i tenkostěnných trubek. Montáž je poměrně jednoduchá a rychlá. Potrubí lze použít do provozních tlaků až 4 MPa a provozních teplot do 150 °C.
PLASTOVÉ TRUBKY
Z trubek vhodných pro centrální vytápění je potřeba rozlišovat mezi systémy podlahového vytápění a klasickými. Podlahové systémy totiž vyžadují velkou ohybnost trubkových smyček a navíc jsou méně tepelně namáhané v porovnání s klasickými topnými systémy.
Na podlahové kúrenie jsou tedy vhodné druhy PB, PE-X, PVC-C, PP-R. V této souvislosti si je třeba uvědomit, že pro druh PVC je maximální provozní teplota jen 60 °C a pro PVC-C je provozní teplota trvalá 90 °C a krátkodobá 110 °C. Podobný rozsah platí pro PB, PE-X a PP-R. Osobitné postavení má PVDF, který lze použít do rozsahu 140 °C. Postupně se některé hodnoty nutně upřesňují. Např. bylo známo, že halogeny (fluor, chlor, brom, jod) reagují s PE a dochází k molekulárním změnám, k lámavosti materiálu a ke ztrátě pevnosti už při teplotách 20 °C. V USA se nyní zjistilo, že dochází ke stárnutí a destrukci u PB po dlouhodobém používání vlivem působení chloru. Toto zjištění však nelze v plném rozsahu aplikovat na naše podmínky, protože koncentrace chloru ve vodě má v USA daleko vyšší hodnoty (až 2 ppm).
Hlavní výhodou plastových potrubí je jejich jednoduchá a rychlá montáž. Spojují se buď lepením (PVC), nebo svařováním (PB, PE, PP), nebo nátrubkami a šroubovacími spojkami (PB, PE-X, PP).
Hlavní nevýhodou plastových potrubí je malá tlaková odolnost při vyšších teplotách, malá tuhost (prostorová tvarová stálost) a nejvíce výrazná velká délková teplotní roztažnost. V porovnání s nerezovou ocelí je roztažnost u PB 10krát, u PP 12krát, u PE 14krát a u PE-LO dokonce 23krát větší. Tuto skutečnost je třeba brát do úvahy při řešení uchycení a vedení plastových potrubí. Bez průběžných podpor a eliminace dilatace potrubí kompenzací by se plastové potrubí vůbec nemělo instalovat.
VÍCEVRSTVÉ TRUBKY S KOVOVOU VLOŽKOU
Jiný směr vývoje vycházel z poznatku, že stoprocentní ochranou proti difúzi kyslíku je kov. Na základě toho se vyvinuly vícevrstvé plastové potrubí s kovovou vložkou. Zatím se nejvíce prosadily dva základní typy:
a) Jeden typ se zevnitř zabudovaným svařeným hliníkovým pláštěm tloušťky asi 0,5 mm. Tyto trubky jsou složené z vnitřního pláště z plastu (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), z mezivrstvy přilepovací složky, ze svařeného hliníkového pláště, opět z mezivrstvy, přilepovací složky a z vnějšího plastového pláště.
b) Druhý typ vznikl z normální plastové trubky, pevně obtočené hliníkovou fólií tloušťky asi 0,2 mm, oboustranně opatřenou přilepovací složkou a kvůli vnější ochraně opatřenou slabší vrstvou plastu.
Kompozit plastu s kovem se nemusí vytvořit jen s hliníkem. Do trubky z tenkostěnné nerezové oceli se může vložit plastová trubka s nanesenou přilepovací složkou, která je následným tepelným zpracováním prilisována na ocelový plášť. Vícevrstvé potrubí s kovovou vložkou minimalizují tepelnou délkovou roztažnost až na hodnoty, které se přibližují hliníku. Jsou stabilnější, čímž se tedy podstatně snižuje počet nezbytných upevnění.
Toto potrubí lze spojovat šroubovacími spojkami, lisovanými objímkami nebo přímým lisováním. Životnost potrubí je dána dvěma zásadními podmínkami. Po prvé je třeba zabránit možnému vstupu vody, případně vzdušné vlhkosti na čelní reznou plochu vícevrstvého potrubí (zabránit kontaktu vody s hliníkem) a po druhé se má vyvarovat možnosti vzniku elektrostatické koroze mezi mosazí či červenou mědí a hliníkem.
TRUBKY PRO PODLAHOVÉ KÚRENÍ
Z předchozí části je zřejmé, že škála potrubního materiálu pro centrální vytápění je velmi široká, ale pro podlahové kúrenie jsou vhodné zejména:
- měď,
- plasty,
- kombinované trubky.
MĚDĚNÉ TRUBKY PRO PODLAHOVÉ KÚRENÍ
Měď jako pracovní materiál rozhodně ovlivnila dějiny kultury. Protože se v přírodě vyskytuje i v ryzím stavu, jako kov se dala opracovávat už dávno. Ve starém Egyptě se měď používala jako platidlo. První zmínky o vodovodech z mědi jsou známy ještě z roku 2500 př. n. l., kdy se tkané měděné plechy ukládaly v hrobce Sahure v Egyptě.
Okolo roku 1900 se začala měď používat jako kvalitní střešní krytina zejména na významné reprezentační budovy a kostely. V roce 1933 bylo zakázáno používat tento materiál na nestratégické účely. Ve západní Evropě se v roce 1965 tento materiál odblokoval na vytápěcí a instalační účely. Bohužel, východní blok tento materiál nadále používal jen na strategické účely.
Všestranné použití mědi je možné zejména díky vysoké kvalitě opracovaného materiálu, na který se kládou vysoké požadavky:
- minimální montážní náklady,
- stabilní funkční a provozní bezpečnost,
- dlouhá životnost.
Mezi nejvýznamnější výhody měděných potrubních instalací patří:
• vysoká odolnost vůči korozi, a tím podmíněné v porovnání s ocelovými trubkami
- minimální tloušťky stěn,
- minimální metrová hmotnost,
• velká pevnost materiálu,
• jednoduchá a rychlá montáž při malých nárocích na prostor,
• dobrá možnost přizpůsobení stavebním podmínkám a z tohoto důvodu mimořádně vysoká vhodnost i pro dodatečné instalace,
• jednoduchá a bezpečná spojovací technika (bez požadavku na šroubovací spoje),
• baktericidní účinek,
• žádné usazeniny v potrubích (měděná potrubí nezarostou), a tím jsou zajištěny -vysoké průtoky, malé tlakové ztráty,
- možnost stanovit přesný vnitřní průměr trubek,
- dobrá tepelná vodivost,
• ekologičnost materiálu (100% možná recyklace, bezodpadová technologie).
Materiál, ze kterého se vyrábějí měděné potrubí je dezoxidovaná měď (SF-Cu) s obsahem čisté mědi v minimálním množství 99,90%.
V zásadě rozlišujeme dva druhy spojování měděných trubek:
1. Rozbíratelné spoje
• Nákrutka
- kuželová/kuželová,
- kuželová/kruhová,
- ploché těsnění.
• Nákrutka se závěsným kroužkem
- kovové těsnění,
- měkké těsnění.
• Trubkové spojky.
• Průrubové spoje.
2. Nerozbíratelné spoje
• Měkké pájení.
• Tvrdé pájení.
• Stlačování.
• Svařování.
Trubka je vyvinuta speciálně pro rozvody pro podlahové kúrení a připojení topných těles pro jednotrubkový a dvoutrubkový topný systém. Měděná trubka je pokryta ochrannou chráničkou z PVC, která zajišťuje částečně možnost dilatace a chrání trubku tak proti fyzickému, jako i chemickému vlivu betonových, příp. omítkových směsí.
V současnosti není v západní Evropě žádný jiný instalatérský materiál, používaný v domovních instalacích tak rozšířený a nemá takové mnohostěnné použití jako měď. V Německu je v současnosti asi 70 % instalací realizovaných z měděných instalatérských trubek, ve Velké Británii dokonce 90 až 95 %.
PLASTOVÉ TRUBKY PRO PODLAHOVÉ KÚRENÍ
Základními stavebními prvky plastů jsou uhlík C a vodík H. Při výrobě se využívají tři základní procesy, a to polymerace, polykondenzace, polyadice.
Polymerací vzniká z monomerů působením energie, katalyzátorů a dalších přísad polymer. Polymerací se vyrábí např. polyetylén a polypropylén.
Polykondenzací vzniká z velkého počtu molekul více nízkomolekulárních látek nová látka. Polykondenzací se vyrábí např. fenolformaldehydová živice. Polyadice je nerepravidelná polymerizace. Polyadicí se vyrábí např. polykarbonát.
Polymery lze rozdělit do dvou skupin:
• homopolymer, jehož makromolekulární řetězec se skládá z pravidelně se opakujících stejných molekul,
• kopolymer, ve kterém jsou na základní řetězec navázány jednotky jiného druhu molekul. Podle prostorového uspořádání makromolekul rozlišujeme lineární a rozvětvené polymery.
Vzhledem na způsob technologického zpracování a chování plastů při teplu je rozdělujeme na termoplasty, duroplasty a elastomery.
Vlastnosti termoplastů ovlivňuje uspořádanost nebo neuspořádanost makromolekul. Částečně krystalické plasty jsou ohybné a houževnaté. Amorfné plasty jsou naopak tvrdé a křehké. Termoplasty lze tepelně vratně zpracovávat a upravovat.
Duroplasty (termosety) nelze teplem tvarovat ani svařovat. Jednoznačnými zástupci této skupiny jsou živice. Osobitnou skupinu mezi duroplasty tvoří termoelasty, které si ponechávají ohybnost, ale nedají se tepelně tvarovat ani svařovat. Hlavním představitelem termoelastů je síťovaný polyetylén.
Elastomery se mechanickým zatížením značně deformují. Po odlehčení se opět vrací do původního stavu. Nelze je tepelně tvarovat a jsou nezvratné. Do této skupiny patří syntetické kaučuky.
Typy plastů používané v topení
Plasty, které se u nás používají pro instalaci v topení jsou hlavně PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB a PVDF.
Polypropylén blokový kopolymer PP-B obsahuje 20 až 30% ethylenové složky, která umožňuje větší ohybnost a houževnatost při nízkých teplotách (do -20 °C). Beztlakovou teplotní odolnost má do 90 °C. Potrubí z tohoto plastu je určeno pro podlahové kúrenie. Spojuje se svařováním nebo mechanickými spojkami.
Polypropylén statický kopolymer PP-R byl vyvinut hlavně pro sanitární techniku. Vyznačuje se dobrou tlakovou odolností i při vyšších teplotách a používá se tak pro podlahové kúrení, jako i pro ústřední vytápění. Beztlaková odolnost přesahuje 100 °C. Spojuje se mechanickými spojkami, svařováním natupo nebo polyfúzií.
Polybutylén PB je značně ohybný a má vysokou molekulovou hmotnost. Při velké pevnosti se vyznačuje také odolností proti tvorbě napěťových trhlin. Beztlaková teplotní odolnost přesahuje 100 °C, křehne při - 18 °C. Využívá se na rozvody podlahového a ústředního vytápění. Protože má dobré mechanické vlastnosti, vyrábí se se stěnami tenčími než ostatní plastové potrubí. Spojuje se mechanickými spojkami, svařováním natupo nebo polyfúzií.
Chlorovaný polyvinylchlorid C-PVC má zvýšený obsah chloru, který není hygienickou překážkou při dopravě teplé vody potrubím z tohoto plastu. Beztlaková teplotní odolnost přesahuje 1 OO °C. Tento plast se vyrábí různými způsoby, proto se jeho vlastnosti částečně liší podle jednotlivých výrobců. Spojuje se lepením, přičemž bychom měli lepit pouze trubky a tvarovky dodané jedním výrobcem s jeho doporučeným lepidlem.
Polyvinylidenfluorid PVDF má vysokou mechanickou pevnost a značnou odolnost i při vysokých teplotách. Taktéž je dobře zpracovatelný. Teplotní oblast použití se pohybuje od - 40 do + 140 °C. Je odolný vůči UV a gama záření, čím získává dobrou odolnost proti stárnutí. Rovněž je odolný proti otěru, fyziologicky nezávadný a těžko hořlavý. Jeho cena je poměrně vysoká. Spojuje se polyfúzií, infračervenými paprsky, svařováním natupo nebo mechanickými spojkami.
Vlastnosti plastů
Mimo vlastnosti plastů, které bychom si měli rozhodně povšimnout, patří teplotní odolnost, hořlavost, nasákavost, elektrická vodivost, tepelná vodivost a teplotní roztažnost.
Teplotní hranice, za kterou se polymer tání a měkne bez změny struktury, je hranice teplotní odolnosti. Kdybychom plast dále tepelně zatěžovali, došlo by ke změně mechanicko-fyzikálních vlastností a postupně i k degradaci polymerů a tím k jejich znehodnocení. Pokud posuzujeme teplotní odolnost potrubí určených na instalaci v topení, měli bychom se částečně ujistit, protože při nesprávném svařování dochází k částečné degradaci lokálním přehřátím.
Ke zamezení nebo zmírnění stárnutí plastů se do polymerů přidávají stabilizátory, pigmenty a antioxidační prostředky. Procesem stárnutí rozumíme probíhající nevratné změny mechanických vlastností plastů, které jsou podmíněny působením kyslíku, teploty a UV záření. Stárnutí probíhá oproti teplotní degradaci pomalu.
Korozí plastů se nejprve projeví uvnitř plastů a později i na povrchu. Korozí plastů se projeví změna složení a změna vlastností plastů. Změna je způsobena působením chemických a fyzikálních vlivů. Negativní vliv mohou mít také některé kovové materiály, jako je měď, kobalt a jejich slitiny. Při styku kovu s některými plasty dochází k termooxidaci, která je katalyzována kovovými ionty a projevuje se narušením struktury plastů. Z tohoto důvodu je třeba používat spojky a přechodky s vhodnou povrchovou úpravou, doporučené výrobcem plastového potrubí. Vznikem drobných trhlin se projeví korozí plastů při napětí. Při plastových výrobcích nemusíme brát do úvahy změny rozměrových tolerancí a změny mechanických vlastností vlivem působení vlhkosti. Plasty jsou nenasákavé a jejich nasákavost a navlhavost jsou velmi nízké. Plasty obecně považujeme za izolanty, nejsou elektricky vodivé. Jinou skutečností je, že při plastových potrubích, kterými se dopravují sypké materiály nebo plyny, se objeví výboj statické elektřiny. Povrchový odpor se pohybuje okolo hodnoty 1014 ohm a závisí na stupni znečistění povrchu a na procentu vlhkosti vzduchu.
Z hlediska návrhu potrubní sítě je velmi důležitá délková tepelná roztažnost. Tepelná roztažnost je u plastů desetinásobně vyšší než u oceli nebo mědi. Pokud projektant tuto vlastnost plně nerespektuje, způsobí si mnoho potíží, které lze odstranit jen novým položením potrubí.
Součinitel tepelné vodivosti plastů je velmi nízký, tuto skutečnost nás však neoprávňuje k odmítnutí tepelné izolace u plastového potrubí. Plastové potrubí nelze zařadit mezi tepelné izolanty a mnohé plastové rozvody si přímo vyžadují obecnou izolační ochranu.
Základní údaje využívané při používání plastového potrubí
Důležitým faktorem, který ovlivňuje použití plastového potrubí je jeho životnost. Kdysi se mluvilo o životnosti 50 až 60 let bez ohledu na provozní podmínky a druh použitého plastu. Nyní je zřejmé, že tuto hranici životnosti je třeba posunout směrem dolů a velmi striktně ji posuzovat v souladu s použitým plastem a v souladu s provozními podmínkami, kterým je plast vystaven. Při provozu je plastové potrubí namáháno současně provozním tlakem a provozní teplotou. Není-li současné působení tlaku a teploty významnou skutečností, stanovuje se v praxi minimální životnost rozvodu. Tato životnost se stanoví v závislosti od dvou výše uvedených parametrů podle experimentálně zjištěných izoterm. Napětí ve stěně trubky, vynášené na ose y, závisí přímo úměrně od vnějšího průměru trubky, tloušťky stěny a vnitřního přetlaku a nepřímo úměrně závisí od dvojnásobku tloušťky stěny.
Plastové potrubí se vyrábí v tomto řadě: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.
Číslo za zkratkou PN určuje maximální provozní tlak (Pa) při teplotě vody do 30 °C po dobu 50 let. Z toho vyplývá, že pro navržené vyšší teploty je třeba pro stejný tlak a stejnou životnost volit vyšší tlakový řád, protože s rostoucí teplotou vody klesá maximální dovolený provozní tlak.
Plastové trubky se označují v milimetrovém řadě. Označení by mělo obsahovat: jméno výrobce, označení materiálu, vnější nebo vnitřní rozměr x tloušťka stěny, provozní tlak/teplotu, datum výroby, název trubky, příp. registrační číslo.
Spojovat můžeme plastové potrubí navzájem, plastové potrubí s potrubím z jiného materiálu, trubky s tvarovkami, trubky s armaturami nebo trubky k spotřebičům. K tomu slouží celý systém spojování potrubí. Spoj musí splňovat určité požadavky, proto jej kontrolujeme z hlediska odolnosti vůči tlaku, teplotě nebo chemickým vlivům, přičemž požadujeme funkčnost a těsnost spoje.
Difúze kyslíku skrze stěny plastových trubek
O vytápěcích polyolefinových trubkách se často diskutuje, jsou měřítkem kvality celého systému a cílem jeho pochybností. Proto jim je třeba věnovat zvýšenou pozornost.
Aktuálním problémem, kterému se v současnosti věnuje zvýšená pozornost, je difúze kyslíku skrze stěny plastových trubek.
Zjistilo se, že molekuly vzdušného kyslíka pronikají mřížkou plastu, až se dostanou do vytápěcí vody. Vytápěcí voda, stále nasycená kyslíkem, se stává pak vůči kovům velmi agresivní. Množství proniknuvšího kyslíku závisí od druhu plastu a od teploty. Dále se zjistilo, že tlakové změny při vyšších teplotách vyvolávají náchylnost k vytváření únavových povrchových trhlin, čímž se kyslíková difúze zvětšuje. Protože molekula s malým poloměrem atomů difunduje snadněji do mřížky vytvořené z atomů s větším poloměrem, došlo se nejprve k síťování plastů. Podařilo se tak téměř vyloučit vytváření únavových trhlin, ale kyslíkové difúzi se úplně nezabránílo. Proto další směr vývoje vedl k celoplošnému obalování plastových trubek vrstvou ze speciálního polymeru, sloužícího jako difúzní bariéra. Procentuální účinnost a životnost této bariéry však závisí od použitého polymeru.
Difúzi kyslíku lze omezit oddělením vytápěcích okruhů od okruhu s čerpadlem, zvětšením tloušťky stěn trubek nebo přidáním okysličovadla do vytápěcí vody.
Nakonec je třeba říct zásadu, že příčinou tohoto problému je provozní stav podlahového vytápěcího systému, který je jednou a navždy pevně zabudovaný v konstrukci podlahy. Z toho důvodu je snaha přesvědčit zákazníka a uživatele o spolehlivosti a bezpečnosti vytápěcího systému, aby nemusel mít obavy z případných destrukcí potrubního rozvodu. Jednou z tradičních příčin je koroze kovových částí příslušenství a zařízení vytápěcího systému, protože trubky jsou z plastů.
Řešení se tedy našlo následující. Renomované firmy používají kovové části zásadně z mosazi, čímž se minimalizuje pravděpodobnost koroze. Dále proti možnosti transportu nečistot zejména ze zdroje tepla vystaveného možnosti nízkoteplotní koroze se začínají prosazovat zapojení systému vytápění přes výměník tepla, tedy oddělení primárního kotelového okruhu od sekundárního okruhu podlahové vytápěcí plochy. No a nakonec, aby jistota byla maximální, je snaha vyloučit možnost vnikání kyslíka přímo skrze stěny plastových trubek, tedy prostřednictvím vlastně další krycí vrstvy - kyslíkové bariéry. Jsou známy už i taková extrémní řešení, kde se přidává ještě i třetí vrstva, a to na bázi kovové.
Takže problematika difúze kyslíku vždy bude záviset hlavně od konkrétních podmínek použití, jako i od solventnosti investora. V Německu, kde je podlahové kúrenie nejvíce používané, přibližně 60 % firem nabízí trubky s kyslíkovou bariérou.
Podstatné je však to, že v současnosti, vzhledem k nedostatku konkrétních případů z praxe, ustavičně probíhá výzkum nepoužití kyslíkové bariéry.
Trendy v aplikaci plastů
SRN - celkový trh se odhaduje na přibližně 230 mil. m trubek, z toho více než 1/2 je měď, přičemž z plastů se nejvíce používá síťovaný PE (70 %), dále PPC (15 až 20 %) a PB (5 až 10 %),
Rakousko - ocel a měď tvoří více než 55 %, ostatní jsou plasty,
Švýcarsko - plasty tvoří až 74 % trhu, používají se nejvíce na podlahové kúrenie, spotřeba 4,6 m na obyvatele (rok max. PEX; PPC a PB jsou 4krát nižší než PEX),
Holandsko - plasty 10 % na sanitární technice, 10 % na ÚK, přičemž PEX 60 %, PP a PB výrazně méně (1 až 2 %).
Při použití plastů na potrubní rozvody ve stavbách se vychází z předpokladu životnosti 50 až 55 let, t.j. výměna instalací 1x během životnosti stavebního objektu.
Vývoj na trhu s plastovým materiálem v SRN, Rakousku a Švýcarsku potvrzuje úplnou rovnocennost mezi potrubními rozvody na tradiční kovové bázi a na bázi plastů, jejichž podíl se pohybuje od 40 do 75 %.
Dominantní postavení v produkci potrubních materiálů má obecně síťovaný polyetylén, až kolem 70 %, přičemž polypropylén a polybutén jsou rovnocenně v následném pořadí.
KOMBINOVANÉ TRUBKY PRO PODLAHOVÉ KÚRENÍ
V posledních letech se u nás začíná používat vícevrstvové potrubí, t.j. potrubí složené z nerovných materiálů. Vícevrstvová trubka se skládá z základní plastové trubky, hliníkového pláště s podélným zvarovaným švem a ochranné plastové vrstvy. Dobrou soudržnost obou plastových vrstev s hliníkovou fólií zajišťuje speciální přilepovací vrstva.
Kombinované trubky kompenzují nedostatky plastových trubek vzhledem k teplotní délkové roztažnosti. Hodnoty teplotní délkové roztažnosti se přibližují hodnotám uvedeným pro hliník, např. firmy uvádějí hodnotu 0,025 mm.m-1.K-1. Další výhodou je, že potrubí může být uchyceno ve větší vzdálenosti, protože průhyb po naplnění vodou je menší. Tato potrubí se vyznačují poměrnou tuhostí, ale zároveň si zachovávají výraznou ohybnost. Vícevrstvá potrubí se spojují mechanicky nebo polyfúzním svařováním s tvarovkou. Před svařováním je třeba odstranit všechny vrstvy až na základní plastovou trubku.
Použitá literatura:
Dušan Petráš: Podlahové teplovodné vytápění
Dušan Petráš: Nízko-temperační vytápění a obnovitelné zdroje energie
