Углеродное нагревательное полотно – технология инновационных систем отопления

Главная страница » Углеродное нагревательное полотно – технология инновационных систем отопления

Разработка и производство инновационных систем отопления на базе углеродного волокна берёт начало с 2001 года. Практически за два десятилетия исследований и попыток применения удалось создать действительно высокоэффективные нагревательные системы нового образца. Реализуемые решения ориентированы на производство, на строительство и прочие сферы, где углеродное нагревательное полотно допустимо применять по назначению. Рассмотрим технологию нагревательных матов и сеток в деталях, чтобы иметь явное представление о новинке, правда, уже относительно инновационной.

Преимущественные характеристики углеродного нагревательного полотна

Углеродное волокно рассматривается специалистами высокоэффективным компонентом, пригодным для использования в системах теплового отопления. Преимущества углеродного волокна (полотна) очевидны:

1. Неметаллический резистор.
2. Низкая электропроводность (в 1000 раз ниже меди).
3. Низкая теплопроводность (втрое ниже меди).
4. Малая плотность (в 3,7 раза меньше плотности меди).
5. высокая удельная теплоёмкость (вдвое выше меди).
6. Высокое удельное сопротивление (в 2000 раз выше меди).

Все отмеченные свойства углеродного нагревательного полотна позволяют создавать конструкционные эксплуатационные системы, которые, по словам специалистов, отличаются:

• отсутствием электромагнитных полей,
• малой тепловой инерцией,
• малыми потерями тепла,
• низким сопротивлением тепловому излучению.

Запатентованная система напольного отопления на основе полотна с карбоном представляет собой листовой материал толщиной 4 мм, поставляемый либо стандартными модулями, либо сборкой на заказ для создания максимально допустимой цельной поверхности до 25 м 2 .

Примерно таким выглядит относительно инновационный материал на основе карбона, при помощи которого формируется термический слой напольного покрытия или иных областей жилого (промышленного) помещения

Вместе с напольной конфигурацией разработаны также нагревательные системы настенного и потолочного типа. Кроме того, есть возможность оборудовать углеродным нагревательным полотном отдельные конструкционные части, например, маршевые лестницы, входные группы и другие элементы стройки.

Технологический принцип организации нагрева углеродным полотном

Устройства подобного типа используют технологию инфракрасного излучения. Лучистое отопление обеспечивается эффектом теплообмена инфракрасными волнами как передатчиками тепла. Фактически, два тела (объекта) с разными температурами естественным образом обмениваются излучениями, при этом тепловой поток направляется от более теплого объекта к более холодному.

Так, излучение, испускаемое в комнате системой углеродного напольного отопления, трансформируется в тепло при контакте с объектом, стеной или человеком. Инфракрасные волны поглощаются не воздухом, а твёрдыми веществами, где трансформируются в тепло. Затем тепло передается в помещение для достижения оптимального температурного состояния.

Такого рода система теплых полов на углеродном полотне видится более предпочтительной в плане здоровья, поскольку не вызывает перемещения воздушных масс, следовательно, пыли внутри помещения. Также устраняются температурные разрывы между соседними помещениями.

Пример оснащения стены жилого помещения углеродным нагревающим полотном на стадии производства внутренних отделочных работ. В последствии такое оснащение способствует эффективному обогреву жилища при минимальных расходах и сохранении полезной площади

Отопление углеродным нагревательным полотном гарантирует максимальный комфорт и соблюдение современных требований и правил эксплуатации жилья, которые допускают максимальную температуру поверхности пола — 28°C. Средняя температура излучения около 21°C позволяет поддерживать температуру воздуха ниже 20°C, то есть ниже температуры, обычно достигаемой в случае с традиционными системами отопления.

Этот момент ограничивает температурой разрыв внутри и снаружи, благодаря чему снижаются потери тепла. Рассматриваемая система теплового излучения углеродным нагревательным полотном также обеспечивает оптимальную температурную разницу между областью пола и областью потолка (около 1,5°C). Малая температурная разница исключает локальный дискомфорт по причине чрезмерно высоких градиентов температуры на уровнях головы и ног пользователей.

Наконец, применение технологии углеродного нагревательного полотна – это полное отсутствие громоздких нагревающих конструкций (радиаторов, труб, кранов и т.д.) – то есть существенная экономия полезной площади. В общем, одни плюсы, судя по презентациям уже состоявшихся производителей, к примеру, — «Thermal Technology».

Углеродное нагревательное полотно — принцип устройства системы

Модульная система углеродных нагревательных матов состоит из 12 модулей разных размеров, соединенных между собой посредством вставки. Модули, в свою очередь, содержат:

1. Многослойный мат с теплоизоляционными, проводящими и отражающими слоями.
2. Углеродные волоконные тепловые проводники под напряжение 230В переменного тока.

Специальная конструкция мата из углеродного полотна обеспечивает равномерный нагрев — излучение тепла по направлению вверх. Допускается явная потеря тепла на 5% по направлению излучения вниз. Специальными липучками обеспечивается удобство соединений всех элементов.

Отдельный элемент конструкции – соединительный адаптер. При помощи такого рода компонентов обеспечивается соединение отдельных модулей в единое целое – инфракрасное обогревающее устройство

Также технология предусматривает использование углеродных нагревательных сеток, состоящих из 12 модулей разных размеров, соединенных между собой специальными адаптерами. Нагревательные сеточные модули состоят из устойчивой к щёлочи стекло-волоконной сетки, которая служит опорой для тепловых проводников. Такой модуль из углеродного волокна защищён изолирующей лентой, снижающей потери тепла по направлению вниз.

Как в конструкции матов, так и в конструкции сеток, углеродные кабели соединены параллельно одним фидером. Такой подход позволяет поддерживать работоспособность системы при случайных повреждениях, вызванных пользователями (например, при случайном обрыве кабеля из углеродного волокна). Обрыв приводит к неработоспособности относительно малой площади поверхности — не более 1 м 2 (1 модуль из 12).

Нагревательное углеродное полотно — варианты применения

Возможности на применение этой инновационной конструкции отмечаются достаточно обширным диапазоном. Фактически, углеродное нагревающее полотно допускается применять в составе любых конструкций полов, стен, потолков. Вариации в качестве примеров:

Нагревающий углеродный мат под монолитной цементной стяжкой

Установка нагревательного мата под монолитной цементной стяжкой помогает поддерживать комфортную температуру в комнате даже после выключения системы. Это связано с тепловой инерцией, создаваемой цементной стяжкой. Рекомендуется такой подход для помещений под постоянное проживание.

Послойная конфигурация создания напольного варианта покрытия с применением полотна карбона для случая строительства пола с монолитной цементной стяжкой

1. Керамический или деревянный пол.
2. Монолитная цементная стяжка.
3. Нагревательный мат.
4. Теплоизоляционная плита.
5. Нейтральный коврик.
6. Плита пола.

Нагревающий углеродный мат под сухой стяжкой

Комбинирование системы нагревательных матов и сухой стяжки из гипсокартона является быстрым, дешёвым, удобным решением, особенно в случае малого имеющегося запаса толщины (например, при ремонте, устройстве жилых помещений на крыше, в туалетах и т. п.).

Послойная конфигурация конструкции для вариации устройства напольного покрытия на основе сухой стяжки или гипсокартона

1. Керамическое или деревянное покрытие.
2. Сухая стяжка или гипсокартон.
3. Нагревательный мат.
4. Теплоизоляционная плита.
5. Нейтральный коврик.
6. Плита пола.

Нагревающий углеродный мат поверх бетонной стяжки

Установка углеродного нагревающего полотна между стяжкой и плавающим полом позволяет обогревать помещение и очень быстро достигать тепловой инерции благодаря малой массе системы. Нагревательные маты в такой конфигурации особенно рекомендуются для мест, которые должны периодически нагреваться, таких как дома отдыха, офисы, магазины, конференц-залы, рестораны, гостиничные номера и т.д.

Ещё один вариант конфигурации слоёв на устройстве напольного покрытия с обогревом из углеродного нагревающего полотна, добавленного поверх бетонной стяжки

1. Твердый / ламинированный (плавающий) пол.
2. Нагревательный мат.
3. Бетонная стяжка.
4. Теплоизоляционная плита.
5. Нейтральные коврики.
6. Плита пола.

Нагревающее покрытие поверх термальных изоляционных панелей

В этой конфигурации плитка или деревянные доски настилаются непосредственно на теплоизоляционные панели с покрытием из полистирола. Таким подходом обеспечивается углеродная нагревающая поверхность, толщиной не более 1,5 см для нагрева, при этом желаемая температура поверхности достигается очень быстро.

Пример организации супер тонкого напольного покрытия, но при этом достаточно эффективно прогревающего целевое помещение. Послойная конфигурация поверх плёночного материала

1. Керамический или мраморный пол.
2. Эластичный клей.
3. Нагревательная сетка.
4. Теплоизоляционная плита.
5. Нейтральные коврики.
6. Плита пола.

Управление системой углеродного нагревающего полотна

Системы отопления на основе углеродного нагревающего полотна обычно управляются комнатными термостатами, действующими непосредственно на элемент нагрева через реле. Если система отопления на основе углеродного нагревающего полотна установлена более чем в одной комнате, как правило, используется электронный блок управления.

Управление углеродным нагревающим полотном: 1 – питающее напряжение 220-230 вольт; 2 – термостат; 3 – линия комнатного освещения; 4 – на уличный датчик температуры; 5, 6, 7, 8 – выходы подключения нагревающих матов; 9 — контроллер

РИС. Управление углеродным нагревающим полотном: 1 – питающее напряжение 220-230 вольт; 2 – термостат; 3 – линия комнатного освещения; 4 – на уличный датчик температуры; 5, 6, 7, 8 – выходы подключения нагревающих матов; 9 — контроллер

Разработаны разные блоки управления, в том числе с крайне малым потреблением тока. Подобные устройства анализируют фактическое энергопотребление системы в каждый момент времени. В случае чрезмерного потребления энергии, устройство отключает систему в соответствии с приоритетами, установленными пользователем. Таким образом, нет необходимости полного отключения питания при сохранении контроля потребления и затрат.

Каждый выход блока управления подключен к напольному нагревательному мату или настенному нагревательному полотну и связан с термостатом. Если согласно параметрам термостата требуется нагрев, блок управления активирует цепь. В другом случае цепь, соответственно, блокирует нагревательные элементы.

Электрический карбоновый теплый пол

Человечество знает множество способов обогреть жилище. От печки и камина, до конвекторов на солнечных батареях. При выборе способа отопления учитываются различные факторы:

• Конфигурация помещения.
• Доступность различных видов энергоносителя (твердое или жидкое топливо, природный газ, электричество и прочее), а также возможность применения на конкретном объекте. Например, в многоквартирном доме невозможно установить индивидуальный дровяной котел.
• Экономическая целесообразность: в регионах, стоимость энергоносителей существенно различается.
• Возможность (и необходимость) резервирования систем отопления;
• Автоматизация систем обогрева — не всегда есть возможность постоянного контроля за отопительным котлом.
• Эстетическая составляющая.

Мы рассмотрим прогрессивную технологию: теплый пол карбоновый (углеволоконный).

Почему электрические системы теплого пола так популярны в современном жилище

• Нагретый воздух формируется на самом нижнем уровне, равномерно поднимаясь по объему помещения.
• Большая площадь теплообмена минимизирует потери.
• Можно зимой ходить босиком по теплому полу;
• Плоские элементы обогрева отлично вписываются в интерьер: их просто не видно под половым покрытием.
• Электрический кабельный теплый пол дает возможность полностью автоматизировать климатическую систему. Контроллер не просто поддерживает заданную температуру, можно задавать режимы пониженных затрат (когда вас нет дома), или включать обогрев по таймеру.
• Нет проблем с доставкой энергоносителя: практически 100% жилого фонда электрифицированы.
• Простой монтаж: не требуется прокладка труб для жидкого теплоносителя, установка радиаторов отопления, вентиляторов, насосов.
• Не требуется обслуживание: правильно организованный теплый пол служит длительный срок. Любой уважающий себя производитель предоставляет гарантию минимум 10 лет.

Есть и недостатки, которые, впрочем, покрываются преимуществами:

• Для монтажа системы потребуется вскрыть напольное покрытие. В случае с линолеумом или ламинатом — нет проблем. А если вы хотите внедрить карбоновый теплый пол под плитку, придется выполнять полноценный ремонт помещения.
• Относительно высокая стоимость оборудования, особенно термоэлементов. Правда, эта проблема возникает только один раз, при покупке.
• Расходы на получение тепла выше, чем при использовании газа или твердого топлива.

И все-таки, главный плюс: карбоновый пол можно уложить и подключить самостоятельно. Для этого требуется обычный бытовой инструмент и элементарные навыки домашнего мастера.

Разновидности систем электрического теплого пола

Нагревательные системы, использующие электрическую энергию, можно разделить на три основные группы (в каждой из которых предлагается несколько вариантов исполнения):

1. В качестве генератора тепла используется электрический кабель, излучение конвекционное (тепло поднимается вверх по воздуху).
   • Простой закладной кабель в виде термоэлемента. Размещается в цементной стяжке или наливном полу (мокрая укладка). Оптимальный вид финишного покрытия: керамическая или керамогранитная плитка, камень. Можно использовать под деревом, ламинатом, ковролином и линолеумом.
   • Так называемый «умный кабель». Способ укладки аналогичный (по мокрому). Оптимальный вид покрытия: керамическая или керамогранитная плитка, камень, дерево (включая паркет), ламинат. Допускается ковролин и линолеум.
   • Модульный теплый пол, состоящий из теплоизолирующих плит с кабелем внутри. Монтируется на сухое основание. Идеально подходит для плитки всех видов, деревянного пола, ламината и линолеума.
2. Пленочные полы, создающие равномерную климатическую поверхность, которая нагревается по всей площади.
   • Тепловые маты, представляющие собой модифицированную конструкцию кабельного обогрева. Излучатель уже уложен в фиксирующие сетки, удобно сформированные для монтажа. Заливаются «жидким» полом или укладываются в стяжку. Основное предназначение — камень, плитка. Можно использовать в стяжке под деревом, ламинатом, ковровым покрытием и линолеумом. Способ обогрева — конвекция.
   • Пленочный карбоновый теплый пол (второе название — углеродный). Идеальный вариант для укладки под натуральный паркет или ламинат. Допускается монтаж под линолеум или ковролин. Карбоновые нагреватели используют инновационный способ нагрева: инфракрасный.
   • Стержневой теплый пол, также с карбоновыми нагревательными элементами. Укладывается в конструкционные элементы здания, проще говоря — заливается в стяжку или наливной пол. Подходит для любого вида покрытия, включая камень, плитку, дерево, а также искусственные материалы. Также использует инфракрасный способ передачи тепловой энергии.

Принцип действия

Поскольку наш обзор акцентирует внимание именно на карбоновых технологиях, разберем принцип действия теплого пола, изготовленного из углерода.

Для начала, разберемся с терминологией. Понятия «углеродный» и «карбоновый» разводить нельзя: это одна и та же технология. Просто в России традиционно используется слово «углерод» либо «углеволокно», а в зарубежных каталогах звучит «карбон». На самом деле, это одно и то же.

Производители предлагают два вида карбонового пола: пленочный и стержневой. Они отличаются способом укладки, структурой нагревательных элементов, и применением.

Карбоновая термопленка

Прочный термостойкий полипропилен используется в качестве несущей основы. Этот материал разрабатывается с условием полного экологического нейтралитета. То есть, в нормальных рабочих режимах нагрева, теплые полы не должны излучать ни одной вредной молекулы в помещение.

Пленка выполнена по принципу автомобильного стекла «триплекс»: 1–2 слоя подложки, рабочий слой, сверху еще 1–2 слоя защиты от повреждений. На нижнее полотно укладывают особые полосы, изготовленные из смеси карбона с графитом. Электрическое сопротивление тщательно рассчитывается, поскольку от этого зависит стабильность работы. Карбон наносится методом напыления, что исключает неравномерность толщины. Рабочие полосы соединяются между собой с помощью тончайших медных шин. Этот металл обладает отличной электропроводностью, поэтому потери напряжения питания минимальны.

Сами медные проводники не принимают участие в процессе нагрева. Защитный слой (верхняя часть полипропилена) не только защищает углеродные полосы от повреждения, он служит теплопроводным мостиком между источником тепла и напольным покрытием.

Несколько слов о полимерной оболочке: Она обладает высокой прочностью на давление, разрыв и истирание. Кроме того, характеристики защитной пленки остаются стабильными даже при температуре 120 °С. Это как минимум вдвое, превосходит максимальную рабочую температуру нагревательной пленки.

Принцип действия карбоновых элементов — излучение длинных инфракрасных волн. То есть, тепло, как бы проникает через напольное покрытие и непосредственно воздействует на объекты в комнате. Точно так мы ощущаем инфракрасные волны от костра: тепло живое, как будто оно воспроизводится естественным путем.

Преимущества и недостатки пленочных систем из углеволокна

• высокая температура не разрушает и не деформирует структуру пленки;
• прогрев происходит практически мгновенно;
• распределение тепла абсолютно равномерное, это просто мощный поток регулируемой энергии;
• инфракрасное излучение не только безвредно, оно благотворно влияет на организм (применяется даже в лечебных целях);
• выдерживает большой вес при давлении;
• карбоновые полы не подвержены коррозии, нормально переносят небольшую влажность;
• при нагреве нет никаких неприятных запахов;
• абсолютная пожаробезопасность: это свойство особенно важно при использовании карбоновой пленки в деревянных домах;
• простота монтажа, не требуется дополнительная подготовка поверхности;
• возможность использовать не только на полу, но и на стенах (на потолке применение бессмысленно, теплый воздух не опускается вниз);
• мобильность: поскольку пленочные полы не встраиваются в конструкционные элементы, их можно демонтировать и использовать повторно в другом помещении;
• модульность конструкции: если повреждена одна секция, остальные продолжают нагрев (при условии целостности медных соединительных полос);
• карбоновые нагреватели настолько тонкие, что при монтаже пленки не требуется менять высоту напольного покрытия;
• электрические нагреватели отлично интегрируются в интеллектуальную систему управления «умный дом»;
• в сравнение с кабельными системами «теплый пол», пленочный карбон экономичнее на 30%;
• электрическая безопасность: на самих нагревательных элементах пониженное напряжение, 220 вольт только на входе в модуль управления.

Пожалуй, единственный серьезный недостаток:

• материал достаточно хрупкий на излом, поэтому при монтаже требуется осторожность;
• высокая стоимость оборудования, безусловно оправдана хорошими эксплуатационными свойствами, при этом изделие не относится к разряду доступных.

Монтаж карбонового теплого пола производится непосредственно под финишное покрытие, сразу на теплоизолирующий слой (паробарьер).

Исходя из технологии, существует лишь одно ограничение: карбоновые электрические полы нельзя размещать под каменной или керамической плиткой, поскольку используется «мокрая» укладка. Нецелесообразно (хотя и не запрещено) применение под толстым ковролином. Ворсистая структура просто будет экранировать инфракрасное излучение.

При укладке под дерево или ламинат следует помнить, что этот материал рассыхается при высокой температуре. Поэтому на пульте управления устанавливается ограничитель не более 28 °С.

Информация: Существует более дешевый вариант инфракрасного обогрева. Это биметаллическая пленка. Используется двухслойное соединение алюминиевой и медной фольги, которое так же, как и графитовый карбон, испускает инфракрасное излучение. Однако потребительские свойства такой пленки намного хуже.

Стержневой пол из карбона

Вопреки рекламным проспектам, это не новое поколение углеволоконных технологий: стержневые маты не пришли на замену пленочному карбону. Такая конфигурация используется там, где нельзя применить пленку (заливается в стяжку либо в наливной пол). Представляет собой комплект параллельно подключенных углеводородных стержней с примесью графита и серебра, соединенных параллельно.

Технологически, нагревательный элемент — это даже не стержень. Пучок углеволоконных нитей собран в необходимый диаметр и надежно укрыт под изоляцией. Материал оболочки хорошо проводит тепло, и защищает достаточно хрупкий на излом материал, от механических нагрузок при укладке и использовании.

Графитовые нити в соединении с карбоном и серебром, при прохождении через них электротока, испускают инфракрасные волны. Материал позволяет с прецизионной точностью рассчитать сопротивление, и получать необходимые тепловые характеристики.

Поскольку каждый стержень подключен самостоятельно (на параллельных шинах), выход из строя одного (или нескольких) элементов не скажется на работоспособности системы. Разве что тепла будет меньше. Однако способ укладки (заливка в бетон) подразумевает высокие требования к надежности. В отличие от карбоновой пленки, эти нагреватели нельзя просто так поменять, придется разрушать всю поверхность стяжки.

Поскольку система представляет собой монолит с перекрытием, необходимо позаботиться о направлении теплового излучения (инфракрасных волн). Они расходятся равномерно во все стороны, поэтому при укладке необходимо предусмотреть экран с тыльной стороны.

В противном случае, значительная часть энергии будет уходить на обогрев соседей снизу (или подвала в частном доме).

Интересная особенность карбоновых стержней — способность к температурной саморегуляции. При перегреве, сопротивление снижается, и стержень несколько остывает. Это позволяет укладывать нагреватели на всей площади комнаты, не выделяя места установки мебели. Это очень удобно, особенно с учетом невозможности переконфигурировать расположение тепловых матов после затвердевания бетона.

Преимущества и недостатки карбоновых стержней

• быстрый нагрев, равномерное распределение теплового излучения (при наличии отражающей подложки с черновой стороны);
• высокая надежность конструкции — срок службы не менее 50 лет;
• удобный монтаж: вы просто отрезаете необходимую длину из рулона, и соединяете поверхность проводами;
• инфракрасное излучение не оказывает негативного влияния на людей и предметы интерьера;
• нагревается не воздух, а детали помещения;
• 100% пожарная безопасность: во-первых, карбон не горит, во-вторых, система замурована в бетоне;
• система не боится высокой влажности: даже если у вас потоп, после сбора воды нагреватели можно сразу включать;
• при оставлении жилого помещения без отопления (при длительном отъезде), система не разморозится;
• так же, как и пленочные панели, стержневой карбоновый пол интегрируется в систему «умный дом»;
• потребление энергии ниже, чем у кабельных теплых полов;
• если вы самостоятельно можете сделать стяжку — монтаж карбоновых стержней вы тоже выполните своими руками: экономия на установке.

Комплекты предлагаются в разных ценовых и размерных категориях.

• для массового применения стоимость слишком высокая;
• для укладки требуется заливать пол смесью, это уменьшает высоту помещения;
• ошибка при укладке или неисправность (это маловероятно), не дает шанса устранить проблему: вся проводка под слоем бетона.

Выводы

При планировании отопительной системы вашего жилища, обратите внимание на углеволоконные технологии. Возможно, карбоновый теплый пол станет единственным источником тепла. На самом деле, оптимальный вариант использования — дублирующая система. Вы всегда можете выбрать, какой энергоноситель выгоднее в определенный период. Кроме того, можно применять теплый пол одновременно с традиционным отоплением.

А если вы надолго покидаете дом — можно установить экономичный режим с интенсивным прогревом по таймеру, к моменту вашего возвращения.

Видео по теме