Elektryczne kable grzejne stosuje się powszechnie do ochrony rur i armatury przed mrozem. W przypadku instalacji wodociągowych, hydrantowych czy przemysłowych rurociągów zapobiegają one zamarzaniu medium w rurach i pękaniu rur, co mogłoby prowadzić do poważnych szkód. Z punktu widzenia energooszczędności istotne jest, by system przeciwzamarzaniowy utrzymywał temperaturę rur tuż powyżej 0°C, zużywając możliwie minimalną ilość energii. Przy prawidłowym doborze i sterowaniu jest to wykonalne – nowoczesne kable grzejne utrzymują rury drożne bardzo małym kosztem energii, uruchamiając się tylko w razie potrzeby. Poniżej omawiamy oba typy kabli stosowane na rurociągach.
Stałooporowe kable grzejne do ogrzewania rur
Tradycyjne (stałooporowe) kable grzejne do ochrony rur przed zamarzaniem mają stałą moc liniową, np. 10 W/m, 16 W/m czy 30 W/m na całej długości kabla. Nawija się je spiralnie lub układa równolegle wzdłuż rury, a następnie całość izoluje termicznie otuliną. Ponieważ taki kabel zawsze grzeje pełną mocą, konieczne jest zastosowanie termostatu lub innego sterownika, aby kontrolować jego pracę i zapobiec niepotrzebnemu poborowi energii. Najprostsze rozwiązania to przewody z termostatem wbudowanym w jednej z końcówek – typowo ustawionym tak, by automatycznie włączać grzanie przy spadku temperatury otoczenia poniżej ok. +3°C i wyłączać powyżej +10°C. Dzięki temu ogrzewanie rury działa tylko wtedy, gdy jest to potrzebne, co zapewnia skuteczną ochronę nawet do ekstremalnych mrozów (np. rzędu -40°C) przy bardzo niewielkim zużyciu prądu. Gdy temperatura otoczenia jest wyższa, przewód pozostaje wyłączony – jest to prosty, ale skuteczny sposób na oszczędność energii poprzez pracę tylko w warunkach zagrożenia mrozem.
W praktyce stałooporowe kable mrozoochronne sprzedawane są często jako gotowe zestawy o określonej długości (np. 5, 10, 15 m) z fabrycznie zamontowaną wtyczką i czujnikiem termostatycznym. Użytkownik montuje taki kabel na rurze (najlepiej od spodu rury, aby ciepło równomiernie ogrzewało przekrój) i zaizolowuje całość otuliną. Energooszczędność systemu zależy wtedy od kalibracji termostatu – np. popularne termostaty załączające przy +3°C i wyłączające przy +10°C sprawiają, że kabel w ogóle nie pobiera prądu podczas dodatnich temperatur, a włączy się dopiero w momencie, gdy rzeczywiście istnieje ryzyko zamarznięcia wody. W efekcie przez większość sezonu przejściowego system pozostaje w stanie czuwania, zużywając zero energii. Pełna moc (np. 16 W/m) pobierana jest tylko w najzimniejsze dni – i to też cyklicznie, bo gdy rura się ogrzeje powyżej progu, termostat wyłączy zasilanie. Taki cykl automatycznej pracy gwarantuje bardzo niskie koszty – szacunkowo ciągła praca 16 W/m przewodu o długości 10 m to ok. 160 W, czyli 0,16 kW przez godzinę. Jeśli jednak dzięki termostatowi przewód pracuje średnio np. tylko 25% czasu (gdy temperatura oscyluje wokół progu załączania), to średni pobór mocy spada do 40 W, co z punktu widzenia dobowego zużycia energii (ok. 1 kWh na dobę) jest wartością niewielką, biorąc pod uwagę zabezpieczenie krytycznej infrastruktury przed zamarznięciem. Sterowanie termostatyczne jest zatem kluczowe – bez niego kabel stałooporowy musiałby być włączony ręcznie w mrozy i (co gorsza) wyłączany, gdy robi się ciepło. Automatyka eliminuje ryzyko błędu i optymalizuje zużycie energii.
Przy układaniu kabli stałooporowych na rurociągach należy pamiętać, że nie wolno ich ze sobą skracać ani krzyżować. Zamówiona długość musi odpowiadać zabezpieczanemu odcinkowi rury – ewentualny nadmiar kabla można co najwyżej spiralnie owinąć na rurociągu, zachowując odstępy między zwojami (producent zwykle określa minimalną odległość, np. ≥ 5 cm, by zapobiec przegrzewaniu się kabli). Każda zmiana długości kabla stałooporowego pociągałaby za sobą zmianę jego mocy jednostkowej, co nie jest możliwe bez ingerencji w konstrukcję kabla. Właśnie dlatego występują one w określonych mocach i długościach – aby dobrać odpowiedni, oblicza się długość potrzebną do ochrony danej rury i wybiera najbliższy dłuższy dostępny model (nadmiar mocuje się na końcu rury). Kable te są zazwyczaj zakończone zimnym kablem zasilającym z wtyczką, co ułatwia montaż. Podłączenie powinno być zabezpieczone wyłącznikiem różnicowoprądowym dla bezpieczeństwa. Oczywiście niezwykle istotna jest też izolacja termiczna – sam kabel bez otuliny byłby mało efektywny, bo ciepło uciekałoby natychmiast do otoczenia. Standardem jest izolowanie rury (np. otuliną piankową o grubości minimum 10 – 20 mm) razem z kablem grzejnym pod spodem. Taki układ znacząco zwiększa efektywność energetyczną, bo zatrzymuje ciepło przy rurze. Można powiedzieć, że kabel grzejny uzupełnia izolację: sama izolacja opóźnia zamarznięcie, ale nie zapobiegnie mu podczas długotrwałych mrozów, natomiast kabel włącza się wtedy, gdy izolacja przestaje wystarczać. Summa summarum, stałooporowe systemy ochrony rur mogą być oszczędne, jeśli zastosujemy zasadę: moc tylko pod kontrolą termostatu. W przeciwnym razie, ciągłe podgrzewanie rury pełną mocą byłoby nieekonomiczne.
Samoregulujące kable grzejne do ogrzewania rur
Kable samoregulujące zrewolucjonizowały ogrzewanie rurociągów dzięki swojej zdolności automatycznego dostosowania mocy do lokalnej temperatury. W praktyce oznacza to, że taki przewód sam “wyczuwa”, gdzie rura jest chłodna i wymaga więcej ciepła, a gdzie jest już ogrzana i można ograniczyć grzanie.Technicznie, w miejscach zimniejszych polimerowy rdzeń kabla kurczy się i przewodzi więcej prądu, zwiększając wydzielanie ciepła, zaś w cieplejszych odcinkach rdzeń rozszerza się i ogranicza przepływ prądu, redukując moc grzewczą. Dzieje się to w sposób ciągły na całej długości przewodu. Efekt dla energooszczędności jest bardzo korzystny: kabel zużywa tylko tyle energii, ile potrzeba do utrzymania dodatniej temperatury rury – ani wat więcej. W chłodniejszych miejscach generuje więcej ciepła, a w cieplejszych automatycznie zmniejsza jego ilość.
Co to oznacza praktycznie? Załóżmy, że długa rura biegnie częściowo na zewnątrz budynku, a częściowo przez pomieszczenie ogrzewane. Zwykły kabel stałooporowy, włączony zimą, grzałby jednakowo całą trasę – marnując prąd na odcinku wewnętrznym (gdzie temperatura nigdy nie spada poniżej zera) lub wymagając zainstalowania oddzielnych termostatów dla różnych sekcji. Kabel samoregulujący rozwiązuje ten problem automatycznie: na odcinku zewnętrznym (np. -10°C) pracuje z pełną mocą nominalną, aby utrzymać temperaturę, ale już wewnątrz budynku, gdzie panuje np. +5°C, jego rdzeń staje się mniej przewodzący i przewód praktycznie tam nie grzeje (pobór mocy spada do ułamka wartości maksymalnej). Rura jest wciąż zabezpieczona (bo i tak jest w ogrzewanym otoczeniu), a energia nie jest marnowana. Gdy warunki się zmienią – np. cała rura ostygnie w wyniku silnego mrozu – kabel automatycznie zwiększy moc na całej długości. Taka inteligentna zmienność oznacza, że średnie zużycie energii przez system jest dużo niższe niż w przypadku kabla stałooporowego, przy zapewnieniu tej samej skuteczności ochrony przed zamarznięciem.
Samoregulujące kable grzejne uważane są za najbardziej energooszczędną opcję w tej kategorii zastosowań. Wiele instalacji przemysłowych przestawiło się na nie właśnie z powodu oszczędności – producenci przemysłowi podają, że samoregulujące kable optymalizują zużycie energii dostosowując moc do otoczenia, a dodatkowe sterowniki (jeśli są zastosowane) mogą jeszcze bardziej skrócić czas ich działania, przekładając się na dalsze zmniejszenie zużycia energii. Innymi słowy, nawet bez zewnętrznego termostatu kabel sam ogranicza koszty, a w połączeniu z prostym regulatorem czasowym lub czujnikiem temperatury otoczenia można go wyłączać np. przy dodatnich temperaturach, by nie pobierał żadnej energii. W praktyce często stosuje się mieszane podejście: samoregulujące kable zostają włączone na stałe na czas sezonu zimowego (bo i tak poza mrozem pobierają śladową moc), ale nadrzędny termostat odcina zasilanie przy dłuższych okresach ocieplenia, aby wyeliminować nawet ten minimalny pobór.
Należy podkreślić, że samoregulacja nie oznacza, iż kabel całkiem się wyłączy – on jedynie bardzo ogranicza prąd płynący przez siebie w cieple, natomiast pełne odcięcie zasilania wymaga wyłączenia obwodu. Mimo to, wiele zastosowań nie wymaga dodatkowego sterowania – wystarczy zaizolować rurę i podpiąć kabel samoregulujący do sieci na zimę. Taki system pracuje bezobsługowo i bardzo bezpiecznie: dzięki swojej konstrukcji przewód nie może się przegrzać (jego moc spada do zera, gdy temperatura rośnie), więc może się nawet zetknąć sam ze sobą bez skutków ubocznych. Można go także docinać na dowolne odcinki podczas montażu, co upraszcza instalację na skomplikowanych geometrycznie rurociągach czy armaturze (nie ma problemu nadmiaru kabla – odcina się go i wykorzystuje np. na innym odcinku).
Standardowe moce samoregulujących kabli mrozoochronnych wynoszą najczęściej 10, 16, 24 lub 30 W/m (podawane dla określonej temperatury, np. +5°C). W przeciwieństwie do kabli stałych, tutaj moc maksymalna występuje tylko w najzimniejszych punktach. Dla przykładu, samoregulujący kabel Raychem FroStop Black ma moc ok. 18 W/m przy +5°C, a maksymalnie ~28 W/m, gdy jest otoczony śniegiem/lodem (temperatura około 0°C). Jeśli jednak rura nagrzeje się np. do +10°C, moc kabla może spaść do wartości rzędu kilku W/m lub mniej – praktycznie przechodząc w stan czuwania. Oznacza to, że nawet gdy kabel jest stale pod napięciem, pobór prądu dynamicznie się zmienia w zależności od potrzeby: tam gdzie lód – pełna moc, tam gdzie ciepło – minimalna moc. Dzięki temu średnie zużycie energii w sezonie jest bardzo niskie. W kontekście oszczędności energii warto też zaznaczyć, że kable samoregulujące z definicji eliminują ryzyko przegrzania rury – nie dopuszczają do powstawania tzw. gorących punktów, które mogłyby tracić energię i uszkodzić np. tworzywowe rury lub izolację.
Podobnie jak przy kablach stałooporowych, należy pamiętać o zastosowaniu izolacji termicznej na rurociągu – ona w równym stopniu poprawia efektywność systemu samoregulującego, co tradycyjnego. Sam kabel to nie wszystko: izolacja zatrzymuje ciepło przy rurze i zmniejsza obciążenie cieplne, które kabel musi dostarczyć. Warto też okresowo kontrolować instalację – choć kable te są bardzo trwałe i zwykle bezobsługowe, sprawdzenie ciągłości ich pracy przed sezonem zimowym leży w interesie użytkownika, by nie okazało się, że np. z powodu braku zasilania system nie działa.
Podsumowując, samoregulujące kable grzejne stanowią najefektywniejszą energetycznie metodę ochrony rur przed zamarzaniem. Automatycznie minimalizują pobór mocy w cieplejszych warunkach, a jednocześnie zawsze zapewniają tyle ciepła, ile potrzeba do zapobieżenia zamarzaniu – bez konieczności ciągłego nadzoru. Inwestycja w taki kabel bywa droższa niż w prosty kabel z termostatem, lecz w zamian otrzymujemy urządzenie inteligentne, które samoczynnie ograniczy zużycie prądu do niezbędnego minimum. Dodatkowo brak ryzyka przegrzania daje większe bezpieczeństwo i ewentualnie dłuższą żywotność instalacji. Nowoczesne rozwiązania w automatyce (jak zdalne monitorowanie temperatury rury czy integracja z systemem BMS budynku) mogą jeszcze bardziej usprawnić zarządzanie takim ogrzewaniem – np. powiadamiając, że temperatura otoczenia wzrosła i system można wyłączyć. Jednak nawet bez tego samoregulacja jest już wbudowanym “oszczędzaczem energii”.