Poniższy artykuł, którego autorem jest Rafał Budniok, ukazał się w magazynie Elektrosystemy, w numerze: maj 2014 (5/2014).

Dobór instalacji uziemiającej dla domu jedno- czy wielorodzinnego najczęściej sprowadza się do wykonania otoku z bednarki ocynkowanej 30 x 4 mm, z określoną ilością wyprowadzeń do zwodów odprowadzających z instalacji odgromowej i instalacji elektrycznej budynku. Dostępne są jednak również inne rozwiązania dla obiektów tego typu. Artykuł przybliża i systematyzuje najważniejsze z nich od strony technicznej. Wszystkie prezentowane propozycje są zgodne z Polskimi Normami, tj.  Polskimi Normami, tj. PN-EN 62561, PN-EN 62305 oraz PN-EN 60364-5-54.

Systemy uziemiające dla domów jedno- czy wielorodzinnych można wykonać na co najmniej kilka sposobów. W zależności od wybranej metody i użytych materiałów rozwiązania różnią się trwałością, kosztem wykonania i poziomem komplikacji prac. Artykuł, oprócz przeglądu wybranych metod tworzenia uziemień, prezentuje, jako komentarz, przykłady produktów z oferty firmy FHU Partner.

Rodzaje systemów uziemiających – uziemienia fundamentowe

Przekonania na temat uziemień fundamentowych bardzo często bazują na mitach i stereotypach wynikających ze zwykłego braku wiedzy. Niezależnie od błędnych opinii, rozwiązania te są zgodne z PN i są powszechnie stosowane w budownictwie zachodnim (np. w Niemczech od lat 60. ubiegłego wieku obowiązkowe jest stosowanie uziemień fundamentowych w budownictwie kubaturowym). Uziemienia te cechują się bardzo dobrymi parametrami i w większości przypadków sam uziom fundamentowy osiąga wymaganą normami rezystancję. Największą zaletą tego sposobu uziemiania jest równomierne odprowadzanie prądów pod domem, co przekłada się na równomierny rozkład indukowanego pola elektromagnetycznego na całej powierzchni piętra. Największą wadą tego typu uziemienia jest fakt, że jeśli nie zostanie ono wykonane na samym początku budowy, później nie będzie w ogóle możliwe do zrealizowania.

Uziemienia fundamentowe naturalne i sztuczne

Z technicznego punktu widzenia uziemienia fundamentowe można podzielić na dwa podtypy: naturalne i sztuczne. Uziemienie naturalne wykorzystuje jako przewodniki elementy zbrojenia stopy fundamentowej lub płyty dennej. Elementy zbrojenia muszą być połączone ze sobą, najlepiej poprzez zespawanie, gdyż wykorzystanie drutu wiązałkowego może nie być skuteczne w dłuższym terminie (wielokrotne przepływy prądu mogą naruszyć strukturę cienkich drucików łączących pręty zbrojeniowe). W uziemieniu tym najlepiej jest wykonać połączenie wszystkich prętów stopy, będącej podstawą zewnętrznych murów obiektu, a w przypadku gdy budynek jest większy (tj. długość poszczególnych boków budynku przekracza 20 m) – budując „oka” stopami ścian wewnętrznych. Ilość wykorzystanych prętów w danej stopie zależy od ich pola przekroju. Warto wybrać ich tyle, aby łączne pole przekroju aktywnych przewodników wyniosło 120 mm2, a zgodnie z PN minimum 50% ilości prętów ciągłości galwanicznej. Największą trudnością i wadą tego rozwiązania jest dopilnowanie zbrojarzy, aby prawidłowo wykonali połączenia, połączyli ze sobą właściwe pręty, czy – w sytuacji skrajnej – by w ogóle połączenia wykonali. Pod tym względem pewniejsze jest uziemienie fundamentowe sztuczne, polegające na umieszczeniu w stopach fundamentowych bednarki, drutu czy linki. Taki system można łatwo zweryfikować przed zalaniem zbrojeń betonem. Przewodniki łączy się dowolnie: złączkami, poprzez zespawanie lub zgrzewem egzotermicznym (Cadweld).

Wyprowadzenia

Wyprowadzenia (w odpowiedniej liczbie) z instalacji uziemiającej, będącej stopą fundamentową, do instalacji odgromowej i uziemienia instalacji elektrycznej można wykonać na kilka sposobów. Pierwszym jest zastosowanie gotowych do zakupienia marek, łączących elementy konstrukcyjno-uziemiające z instalacją na zewnątrz betonu. Jest to rozwiązanie pewne i wygodne, zapewniające brak dostępu wody do elementów konstrukcyjnych.

Rys. 1 – Przekrój przez brązową złączkę pokazujący sposób łączenia uziomów gwintowanych Erico o gwarantowanej powłoce 250 μm

Drugą opcją jest wyprowadzenie przewodnika (bednarki, drutu czy linki) ze stopy fundamentowej do gruntu go okalającego, w celu podłączenia do innych elementów systemu uziemiającego, instalacji odgromowej czy szyny wyrównawczej. W tej opcji wyprowadzenie biegnie po zewnętrznej ścianie budynku. Rozwiązanie to jest najprostsze konstrukcyjnie ale wymaga właściwego doboru materiałów. Kwestią problematyczną jest zapobieżenie permanentnej pracy układu, gdy wyprowadzenia na zewnątrz budynku będą cechowały się różnicą potencjału, wynikającą z miejsca właściwego dla typu materiału w szeregu elektrochemicznym pomiędzy otokiem a uziomem fundamentowym. Jest to zjawisko niepożądane i szkodliwe dla przewodników wyprowadzeń (przyspiesza ich korozję). Drugim problemem jest zapobiegnięcie naturalnej korozji, zwłaszcza w miejscu wyjścia z żelbetu, która powodowałaby konieczność odtworzenia wyprowadzenia przy naruszeniu konstrukcji fundamentu. Rozwiązaniem mogą być: taśma typu denso, która owijałaby wyprowadzenie, zabezpieczając cały lub chociaż najbardziej newralgiczny jego fragment, lub wybór niekorodującego przewodnika.

Trzecią opcją jest montaż wyprowadzeń z systemu uziemiającego wewnątrz muru, jego izolacji czy ocieplenia. Można tego dokonać np. za pomocą bednarek czy drutów izolowanych. Rozwiązanie to jest łatwe w zastosowaniu i bezpieczne.

Rys. 2 – Przykład łączenia uziomu miedziowanego o gwarantowanej powłoce Erico z bednarka ocynkowana ogniowo za pomocą nierdzewnego złącza krzyżowego.

Koszty

Pod względem kosztowym, uziom fundamentowy naturalny jest najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem. Ilość dodatkowego materiału jest minimalna (tylko wyprowadzenia), a koszt robocizny ogranicza się do spawów (czy wykonania innych połączeń). Natomiast uziemienie sztuczne, w wersji gdy przewodnik układany jest jedynie w stopach murów zewnętrznych, jest kosztowo bardzo zbliżone do kosztów wykonania otoku. Jeżeli stosuje się dodatkowe złącza do łączenia przewodnika głównego z konstrukcją stalową stopy, wtedy różnica w cenie w stosunku do otoku może być niezauważalna.

Opcjonalne uziemienie fundamentowe

Do kategorii uziemień fundamentowych można też zaliczyć układanie bednarki (czy innych przewodników) pod płytą denną czy konstrukcją budynku. Jest to rozwiązanie oszczędzające miejsce na działce i posiadające skuteczność równą uziemieniu fundamentowemu. Ma jednak jedną dużą wadę – w przypadku zastosowania bednarki ocynkowanej czy innego materiału korodującego – jest nienaprawialne.

Uziemienie otokowe

Uziemienie otokowe to rozwiązanie najpopularniejsze. Wykonywane najczęściej za pomocą bednarki ułożonej w wykopie – czy to przy okazji prac fundamentowych, czy to tworzonym specjalnie tylko do ułożenia bednarki w późniejszych fazach budowy. Pod względem kosztowym, jak zostało już wspomniane, ułożenie otoku w pierwszej opcji jest zbliżone cenowo do zastosowania uziemienia fundamentowego sztucznego. W drugiej opcji koszt ponownego wykonania wykopu i zasypki podnosi cenę całego uziemiania o około 150-200% – przy wykorzystaniu minikoparki.

Zaletą uziemienia otokowego jest, tak jak w przypadku uziemienia fundamentowego, równomierne odprowadzanie prądów, a co za tym idzie, w miarę jednorodny rozkład indukowanego pola elektromagnetycznego w przypadku odprowadzania prądów piorunowych. Zaletą jest także łatwość wykonania i możliwość zastosowania rozwiązania już po zakończeniu budowy (co jednak podnosi znacząco jego koszty).

Wadą natomiast jest wspomniany koszt, wynikający z podatności na korozję najczęściej stosowanego materiału – stali ocynkowanej ogniowo – lub ceny materiału w przypadku stosowania przewodników miedzianych czy nierdzewnych. Wydatki w dłuższym terminie wynikają również z konieczności wymiany przewodnika co kilkanaście lat (materiał + wykop + zniszczenia w otoczeniu domu). Wiele osób nie uwzględnia tego wydatku w planowaniu inwestycji.

Uziom sypany

W przypadku stosowania otoku, gdy istnieje ryzyko nieosiągnięcia wymaganej rezystancji, z pomocą może przyjść „uziom sypany”. Jest to specjalna masa o bardzo dobrych właściwościach przewodzących. Masę GEM firmy Erico rozrabia się na budowie z sypkiego materiału i wody. Konsystencją przypomina ona rzadki beton. Najprostszą metodą jej wykorzystania jest wylanie ławy w wykopie, przez którą przechodzi bednarka (czy inny przewodnik otoku). Materiał po kilku godzinach zasycha i jest gotowy do zasypania. W ten sposób zwiększane jest efektywne pole powierzchni odprowadzania prądów do ziemi.

Rys. 3 – Schemat postępowania z GEM

Uziemienia pionowe

Trzecim typem uziemień są uziemienia pionowe. Najczęściej są one stosowane jako rozwiązania dla już istniejących struktur i budynków. Cechują się bardzo szerokim wachlarzem materiałów, średnic i rozwiązań towarzyszących. Do zalet tego rodzaju uziemień można zaliczyć łatwość i szybkość wykonania, które wynikają z niewielkich wykopów – jedynie w punktach pogrążania uziemienia i ścieżki, gdzie ułożony będzie przewód łączący uziom z instalacją domu. Kolejną zaletą jest pewność rezultatu, tj. pożądanej rezystancji uziemienia. Łatwe uzyskanie tego parametru jest możliwe poprzez przedłużanie uziomu, tj. dokładanie kolejnych szpilek jedna po drugiej. Mierzenie rezystancji uziemienia po zakończeniu pogrążania każdej z nich pozwala szybko zweryfikować efekt. Tak przedłużane uziemienie nie wymaga rozkopywania dodatkowych połaci działki. Wspominany szeroki wachlarz materiałów umożliwia użytkownikowi dobrać rozwiązanie, które będzie najbardziej odpowiednie kosztowo, będzie odpowiadać rodzajowi gruntów, na jakich spoczywa zabezpieczany obiekt, czy też będzie mieć pożądaną trwałość. Uziemienia pionowe występują w różnych wykonaniach: od prętów ze stali ocynkowanej ogniowo, poprzez stalowe z powłokami z miedzi (w tym z gwarantowanymi powłokami o grubości 250 μm), po nierdzewne czy czysto miedziane. Dodatkowo uziemienia te oferowane są w różnych średnicach, gdzie np. na trudniejszych gruntach (np. w miejscach gdzie wiadomo, że można natrafić na skały), stosuje się uziomy o większych średnicach czy łączone gwintowanymi złączkami, co gwarantuje pewność połączenia. Z uwagi na niewielką inwazyjność rozwiązania, jest to dobry wybór gdy zakończone są już prace ziemne lub cała budowa.

Wadą uziemień pionowych jest punktowe odprowadzanie prądów piorunowych, które może przekładać się na nierównomierne indukowanie pola elektromagnetycznego. Jednak w przypadku zwykłych domów (metod zabezpieczeń przed przepięciami i rodzaju elektroniki w tych domach występujących) nie ma to żadnego znaczenia. Jako częściową wadę wskazać można też konieczność posiadania specjalistycznych narzędzi (młota z odpowiednimi końcówkami) do pogrążania uziomów, co powoduje konieczność zatrudnienia kogoś do tej pracy lub wypożyczenia sprzętu. Z drugiej strony daje to pewność prawidłowego pogrążania uziomów. Niewskazane jest samodzielne pogrążanie uziemień młotem ręcznym, z uwagi na możliwość ich skrzywienia, zniszczenia końcówek (utraty możliwości dalszego przedłużania uziomów), czy, co najważniejsze, zranienia się niewprawnego wykonawcy.

Kosztowo uziomy pionowe są rozwiązaniem bardzo zbliżonym do układania bednarki w otok, przy nieuwzględnionym koszcie wykopu i zasypu rowu pod otok. A zatem, jeśli uziemienie jest wykonywane po zamknięciu prac ziemnych na budowie, jest znacznie tańsze.

Materiały

W kwestii doboru materiałów pierwszą i najważniejszą kwestią jest zakładana żywotność instalacji. W przypadku uziemień poprawnie zalanych w betonie sprawa jest prosta – rodzaj powłoki czy materiał główny nie wpływa znacząco na trwałość instalacji. Jest ona bezpieczna. Sposoby wyprowadzenia jej na zewnątrz zostały zaś omówione wcześniej.

W przypadku otoków i uziemień pionowych podstawowym materiałem jest bednarka stalowa ocynkowana ogniowo. Jej trwałość można szacować na 15 lat. Jest to też rozwiązanie najtańsze w ujęciu jednostkowego zakupu. Taką samą trwałość mają wszystkie uziemienia pionowe stalowe cynkowane ogniowo. Dalej w kolejności plasuje się bednarka miedziowana, jednakże grubość stosowanych na rynku powłok (zgodnych z normą), tj. 70 μm, powoduje, że w praktyce ciężko jest dokonać montażu bez ich naruszenia, co z pewnością wpłynie na trwałość całego uziomu. Kolejnym rozwiązaniem są uziemienia stalowe miedziowane. Na rynku można znaleźć ich całą gamę, od łączonych na wtyk, po łączone złączkami, od bezklasowych w kwestii grubości powłoki, poprzez prawdopodobne 100 μm czy 240 μm, po takie z gwarantowanymi powłokami większymi niż 250 μm. Sposób ich łączenia rzutuje na trwałość połączenia, co ma znaczenie zwłaszcza przy pogrążaniu – uziemienia złączkowe nie mają prawa się rozłączyć w żadnym wypadku. Gwarantowana powłoka pozwala pogrążyć uziom bez obaw o naruszenie jej w trakcie i zachować trwałość przez 40 lat. Jeszcze trwalszymi rozwiązaniami są linki bimetaliczne, gdzie powłoka miedzi na rdzeniu stalowym sięga 20% średnicy, dając parametry elektryczne na równi z linką miedzianą, a rdzeń stalowy zapewnia mechaniczną odporność. Dodatkowo produkt ten jest „niesprzedawalny” w punktach skupu złomu, a zatem odporny na złodziei. Tutaj trwałość można już ocenić na poziomie powyżej 100 lat. Podobnie jest w przypadku czy to linek, czy bednarek, czy uziemień pionowych wykonanych ze stali nierdzewnej, kwasowej czy czystej miedzi. Ceny poszczególnych materiałów są proporcjonalne do ich żywotności.

Rys. 4 – Bednarka miedziana w szarej powłoce polwinitowej wraz z dedykowanymi uchwytami jest mało widoczna na murze (a dzięki temu bezpieczna). Może też być prowadzona pod powierzchnią elewacji

Łączenie różnych materiałów

W przypadku łączenia materiałów o różnych właściwościach wyjątkiem może być zastosowanie uziemienia pionowego, pomiedziowanego z powłoką gwarantowaną 250 μm, łączonego gwintowanymi złączkami (np. Erico, które cechuje się trwałością około 40 lat), i przyłączenie go bednarką ocynkowaną do instalacji odgromowej, przy użyciu nierdzewnego złącza kontrolnego w celu zapobieżenia powstania ogniwa galwanicznego. Jeśli bednarka, o nominalnie znacznie niższej trwałości, zostanie należycie zabezpieczona smarem i taśmą typu denso na całym odcinku pomiędzy złączem kontrolnym aż po złącze krzyżowe, uzyska trwałość zbliżoną do samego uziomu. Należy jednak pamiętać, że bednarka ta nie będzie wtedy pracowała jako uziemienie.

Dobór elementów z różnych materiałów

Ostatnią, ale niemniej ważną kwestią poww inno być całościowe spojrzenie na dobrane do instalacji materiały. Począwszy od najważniejszych składowych, jak bednarka i uzupełniający ją uziom pionowy, po te najmniejsze, jak śruby w złączu krzyżowym. Powszechną praktyką bowiem jest wykorzystanie np. odejścia od złącza kontrolnego za pomocą bednarki ocynkowanej ogniowo (15 lat trwałości), która zakończona jest uziomem pomiedziowanym (250 μm daje 40 lat trwałości). Innym przykładem mogą np. być żeliwne złącza krzyżowe, gdzie szczęki, obłożone dodatkowo ołowiem, mogą wytrzymać setki lat, ale śruby, które je trzymają, tylko 2-3 (z racji cynku nałożonego galwanicznie skorodują w krótkim czasie).

Przy wykorzystaniu różnych materiałów należy pamiętać o jeszcze jednej kwestii – ogniwach galwanicznych, które mogą powstać np. w miejscach bezpośredniego styku stali cynkowanej z miedzią. W takich sytuacjach zaleca się stosowanie nierdzewnych złączy z przekładkami lub samych przekładek ołowianych. Więcej na ten temat można znaleźć w tabeli szeregu napięciowego metali.

Rys. 5 – Bednarka stalowa ocynkowana ogniowo będąca wyprowadzeniem z uziemienia pionowego, zabezpieczona taśmą antykorozyjną

Podsumowanie

Publikacja jedynie w ogólnym rysie systematyzuje rozwiązania uziomowe, ponieważ zagadnienie jest bardzo rozległe. W przypadku pytań czy chęci zapoznania się z materiałami traktującymi szerzej lub koncentrującymi się na konkretnych zagadnieniach, możliwy jest bezpośredni kontakt z autorem lub też przekazanie informacji do redakcji. Kolejne publikacje będą wówczas w sposób ukierunkowany odpowiadać na zapotrzebowanie na wiedzę z określonego obszaru.