Сравнение лучистого и конвективного отопления

Обновлено: 06.05.2024

Сравнение лучистого и конвективного отопления

На территории промышленной базы в Нижнем Новгороде находится склад предприятия по производству и установке автомобильных запчастей, предназначенный для хранения готовой продукции. Для обеспечения сохранности производимой продукции и комфортного пребывания сотрудников на рабочих местах в помещении склада необходимо поддерживать постоянные оптимальные параметры микроклимата [5].

С целью поддержания постоянной температуры в помещении склада изначально была запроектирована и смонтирована радиаторная система отопления, в качестве отопительных приборов установлены алюминиевые радиаторы Nova Florida 500 Seven S5 общей тепловой мощностью 20 кВт.

В ходе эксплуатации помещения склада было установлено, что помещение склада по высоте прогревается неравномерно, образуются зоны застоя холодного воздуха и сквозняки. Было отмечено постепенное снижение параметров теплоносителя и КПД системы отопления склада в целом. Кроме того, централизованная система теплоснабжения промышленной базы не позволяла регулировать отпуск теплоты в зависимости от различных режимов работы предприятия и загруженности склада.

Учитывая вышеперечисленные факторы, было принято решение о модернизации системы отопления склада. Целью исследования является сравнение эффективности радиационно-конвективной традиционной системы отопления и лучистой систем отопления на базе инфракрасных газовых излучателей.

Принцип действия отопительного радиатора основан на явлениях теплопередачи посредством конвекции и излучения. При конвективном холодный воздух движется вниз, а теплый поднимается вверх, происходит обычное перемещение воздуха в пространстве. [3] В лучистой системе отопления осуществляется нагрев поверхностей, расположенных внутри помещения, от которых посредством теплопередачи нагревается воздух.

При выборе системы отопления были учтены следующие характеристики:

- обеспечение требуемой температуры воздуха в помещении;

- обеспечение требуемой радиационной температуры;

- величина температурного градиента;

- скорость движения воздуха в помещении (наличие сквозняков);

- возможность регулирования отпуска теплоты;

Ощущение комфорта в помещении зависит не только от температуры воздуха, но и от температуры окружающих нас предметов (средней лучистой температуры). На рис.1 анализируются условия комфорта для рабочих в промышленном помещении склада при средней скорости движения воздуха не более 0,5 м/с [4].

Лучистая система отопления способна обеспечить требуемую радиационную температуру в помещении при более низкой температуре нагретого воздуха. В случае использования конвективного оборудования комфортная температура воздуха и стен достигается при 17 °С. Применение инфракрасного оборудования позволяет понизить температуру воздуха до 15 °С при сохранении комфортных условий, в то время как средняя лучистая температура возрастает до 22 °С.

Рис.1 График распределения температур при лучистом и конвективном отоплении

Использование традиционной системы отопления связано с возникновением значительного температурного градиента (особенно в высоких помещениях). [1] При использовании лучистой системы обогрева достигается значительное снижение температурного градиента, и, следовательно, теплопотерь. На рис.2 показано изменение температуры воздуха в зависимости от высоты помещения при конвективном и лучистом отоплении. При устройстве конвективной системы отопления теплый воздух накапливается у потолка, увеличиваются теплопотери. При использовании лучистого оборудования тепло, напротив, концентрируется в нижней части помещения. По этой причине использование лучистых систем отопления особенно эффективно в высоких помещениях.

При использовании лучистого отопления наблюдается тишина, отсутствие сквозняков и пыли в отличие от конвективного отопления. При использовании конвективного оборудования пыль и вредные вещества производственных процессов накапливаются и непрерывно циркулируют в воздухе. При использовании лучистой системы отопления конвективное перемещение потоков воздуха отсутствует, что позволяет использовать инфракрасное оборудование в помещениях с любым типом производства при сохранении здорового микроклимата.

Лучистые системы отопления обладают низкой тепловой инерцией, что позволяет им максимально быстро выходить на полную рабочую мощность, а, следовательно, сократить время эксплуатации в течение дня по сравнению с конвективным оборудованием.

Рис.2 Изменение температуры воздуха в зависимости от высоты помещения при конвективном и лучистом отоплении.

Лучистая система дает возможность локального отопления или создание различных температурных зон внутри одного помещения. Размещение излучателей в верхней части помещения позволяет равномерно прогревать рабочую зону склада, не позволяя теплым потокам воздуха покидать помещение.

Производства, заинтересованные в защите окружающей среды и природных ресурсов, должны использовать системы отопления, отвечающие двум требованиям: уменьшение вредных выбросов в атмосферу и гарантированный комфорт на рабочем месте. В системе отопления на базе инфракрасных газовых излучателей тепло производится газовыми горелками. Газ является чистым источником энергии, влияние продуктов его сгорания на окружающую среду незначительно. [3]

Важнейшее преимущество систем инфракрасного отопления это их экономичность. По сравнению с традиционными отопительными системами экономия топлива по разным источникам может превышать 40-45%. Экономическая эффективность применения газового лучистого отопления достигается за счёт следующих факторов:

- сокращение теплопотерь благодаря достижению комфортных условий при низкой температуре воздуха;

- сокращение теплопотерь вследствие значительного снижения величины температурного градиента;

- уменьшение времени работы оборудования, благодаря низкой тепловой инерции;

- возможность регулирования работы отопительных приборов;

- возможность локального обогрева и зонирования отпуска теплоты.

В результате исследования был сделан вывод о преимуществе устройства автономной системы теплоснабжения склада на базе газовой лучистой системы отопления.

Взамен радиаторной системы отопления запроектирована система лучистого отопления на базе инфракрасных излучателей темного типа ГИИ - ТМ 50L. По расчету принимается к установке 5 излучателей. Регулирование отпуска теплоты осуществляется в зависимости от температуры внутреннего воздуха по датчикам температуры, установленным на стенах по периметру помещения склада. Дымовые газы от ГИИ-ТМ 50L – 5шт. удаляются по индивидуальным трехслойным теплоизолированным дымоходам фирмы "НЭСТ". Строительство дымовых каналов должно быть выполнено в соответствии с «Правилами производства работ, ремонта печей и дымовых каналов», и отвечать требованиям. [5]

Введение в понятие отопления

Не секрет, что одной из самых насущных проблем в нашей северной стране, в которой две трети года холодно – это вопрос отопления своего дома.

Из-за разности температур внутреннего и наружного воздуха возникают теплопотери через наружные ограждения (чердаки, крыши, перекрытия, окна и двери в подъездах, подвалы и полы). Для поддержания необходимой температуры помещения требуется подача в него определенного количества тепловой энергии в количестве, равном теплопотерям.

Главная цель отопления – это поддержание определенной температуры воздуха в помещении для создание тепловых условий, благоприятных для жизнедеятельности человека.

Согласно ГОСТу Российской Федерации и «Правилам предоставления коммунальных услуг гражданам», принятым Правительством РФ, температура в помещениях должна быть не ниже значения + 18 градусов по Цельсию.

По расчётам специалистов нормальная температура воздуха в доме должна быть в пределах от 18 до 24 градусов по Цельсию (в зависимости от назначения помещения – спальня, детская, ванная комната, производственное помещение). Именно эта температура тепла наиболее приемлема для организма человека. Для выполнения этой задачи создается «система отопления».

Характеристика систем отопления по способу теплопередачи

Выбор оптимальной системы отопления зависит от режима использования отопительных приборов (круглогодичное или сезонное проживание), площади помещений и выделенной мощности (топливных ресурсов), отведенной на данный объект. По способу передачи тепла все отопительные системы разделяются на: конвекционные, лучистые и конвекционно-лучистые.

Конвекционная передача тепла

Вид отопления, при котором тепло передается благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. Под воздействием отопительного прибора холодный воздух нагревается и из-за разницы температур происходит циркуляция воздуха.

К недостаткам конвективного отопления относится невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии и большой перепад температур в помещении - наиболее прогретой оказывается верхняя часть помещения под потолком. Данная проблема решается при использовании системы «Теплый пол». При неправильной регулировке отопительных приборов может возникать избыток тепла, который пересушивает воздух и создает некомфортный микроклимат.

Конвективное отопление
при использовании радиаторов:

Конвективное отопление
при использовании теплого пола:

Лучистая передача тепла (Излучение тепла)

Вид отопления, когда тепло передается в основном излучением, и в меньшей степени – конвекцией. Излучение тепла состоит в том, что тело с более высокой температурой (в нашем случае обогреватель) создает тепло в виде электромагнитных волн, а тела более холодные (стены, мебель и другие предметы помещения), поглощают его, повышают свою температуру и таким образом передают тепло окружающему воздуху. Тепловое излучение проходит через воздух, не нагревая его.

Преимущество лучистого отопления состоит в том, что при включении отопительных приборов помещение нагревается практически моментально – в течение 10-15 минут. Но, нужная температура поддерживается лишь тогда, когда на прибор поступает электропитание. Если ИК-панель отключить от сети, то помещение остынет так же быстро, как и нагрелось

Хотя излучающие панели достаточно экономичны, использовать их в качестве источника постоянного отопления не рекомендуется. Длительное воздействие инфракрасного излучения может создавать плохое воздействие на организм человека. Кроме того, есть ряд заболеваний, при котором воздействие интенсивного инфракрасного излучения противопоказано. Поэтому инфракрасные панели стоит использовать либо как источник дополнительного отопления либо в помещениях, рассчитанных на краткосрочное пребывание, например большие производственные помещения.

Лучистое отопление

Конвекционно-лучистая передача тепла

Вид отопления имеющий признаки обоих способов теплопередачи. При дальнейшем рассмотрении классификации систем отопления, будет указано, какие виды отопления, к какому способу теплопередачи относятся.

Классификация систем отопления
по расположению основных элементов

Системы отопления по расположению основных элементов подразделяются на:

Местная система отопления

Местная система отопления (прямообогревающие устройства) - системы отопления, в которых генератор теплоты, теплопроводы и отопительные приборы конструктивно объединены в одном устройстве и установлены в отапливаемом помещении.

1 – теплогенератор
2 - отапливаемое помещение

Центральная система отопления

Центральная система отопления (котельная); - называются системы, предназначенные для отопления нескольких помещений из единого теплового центра. В тепловом центре находятся теплогенераторы (котлы) или теплообменники (независимая система теплоснабжения). Они могут размещаться непосредственно в обогреваемом здании (в котельной или местном тепловом пункте) либо вне здания - в центральном тепловом пункте, на тепловой станции (отдельно стоящей котельной) или ТЭЦ.

Конвекция или излучение - что выбрать

Чем быстрее идет циркуляция воздуха, тем быстрее идет прогрев помещения, тем равномернее прогревается оно по высоте, соответственно, тем более комфортно чувствуют себя люди, которые находятся в этом помещении.

Плечо конвекции – это перепад высоты, разница между уровнем, на котором воздух заходит во внутреннее пространство конвекционной печи или камина, то есть между топкой и кожухом снизу и уровнем, где выходит уже нагретый воздух.

Если в доме стоит обычный современный камин, у которого снизу под топкой сделана ниша, куда заходит воздух на нагрев, а сверху, на высоте не ближе чем 30 см. от потолка расположены решетки, из которых выходит уже нагретый воздух, то в такой ситуации плечо конвекции составляет в среднем 2,5 м (при высоте потолка 3-и метра). В данном случае плечо конвекции уже значительно больше.

Чем больше плечо конвекции, тем лучше возникающая конвекционная тяга, то есть скорость потока воздуха, который в условиях высокой температуры имеет возможность разогнаться в этой внутренней зоне и с большой скоростью выйти из зоны камина, соответственно, с такой же скоростью увлекая за собой воздух снизу. Если подойти и поднести руку к решеткам на выходе у такого камина или наоборот, снизу на входе, где воздух засасывается во внутреннюю зону, можно ощутить очень мощное движение воздуха. Именно за счет большого плеча конвекции возникает ситуация, когда «дует» так, как будто работает некая турбина, хотя это все работает за счет разницы в высоте и разгона потока воздуха.

Чем больше плечо конвекции, тем больше разгон потока воздуха, тем лучше осуществляется теплосъем с топки. А чем быстрее и лучше отводится тепло от топки, тем лучше она воспринимает его от огня, тем самым увеличивая КПД.

Например, если снизу мы подставим турбину и начнем сильно нагнетать воздух в каналы, по которым циркулирует и нагревается воздух в помещении, то все будет происходить гораздо быстрее и эффективнее. В данном случае благодаря именно большому плечу конвекции и увеличивается КПД, увеличивается скорость потока, увеличивается количество тепла передаваемого в помещение за единицу времени.

Часто можно услышать. «Вот, у вас весь воздух выходит наверху, он там и будет оставаться». Это заблуждение, потому-что если плечо конвекции большое, то циркуляция очень хорошая, воздух не будет застаиваться и разница температуры между полом и потолком не будет больше, чем 7-10 градусов, именно благодаря большому плечу конвекции. А вот при работе небольших печей, готовых каминчиков, плечо конвекции небольшое и циркуляция потока воздуха очень небольшая, поэтому идет большое расслоение нагреваемого воздуха по высоте. Потому что воздух не успевает разогнаться, выходит и тут же смешивается с окружающим воздухом, частично его подогревая. Возникает сильное расслоение по температуре, близкое к обычной накопительной печи.
Поэтому, в небольших печах конвекционный кожух не выполняет своей функции, он лишь снижает температуру боковых поверхностей, препятствует теплоотдаче, значительно снижая КПД.

Если раньше очень сильно пропагандировались даже самые маленькие печурки, имеющие конвекционный кожух, как приборы, которые дают гораздо больше тепла, то сейчас именно это поставлено под сомнение. Потому что (как мы уже отмечали) эффективная теплопередача за счет конвекции осуществляется, если у нас достаточно большое плечо конвекции, то есть расстояние между заходом воздуха в зону камина внутреннюю и выходом. Что касается небольших печек, имеющих высоту 0,5 м – 1м, то здесь плечо конвекции минимально. И горячий воздух между топкой и кожухом не получает такого разгона. Он выходит через верхние щели и тут же смешивается с окружающим воздухом, то есть конвекция в данном случае минимальна и не оказывает такого существенного влияния на КПД, в отличие от большинства действующих современных каминов. Мало того, такой кожух снижает теплопередачу, и КПД, его функция только защитная.
Сейчас уже многие производители это поняли и стали гораздо больше уделять внимание этому и небольшие печи стали больше делать без конвекционного кожуха, чтобы они со всех сторон отдавали только лучистое тепло.

Минус? Да, есть. Такая печь – горячая со всех сторон, поэтому, конечно, обращение с ней должно быть, гораздо более аккуратное и соответственно, нужно ограждать семью, детей от возможного соприкосновения с такой печью. Хотя, в любом случае, если в доме горит огонь, проблемы безопасности домочадцев, присутствуют всегда. А вот качество тепла от подобной печи, конечно, значительно лучше и теплотворная способность тоже, потому, что они относительно низкие и излучают тепло во все стороны, но на нижнем уровне. Поэтому воздух, нагреваясь от поверхности самой печи, устремляется вверх, а на его место также приходит воздух снизу более прохладный. Поэтому такая печь, находясь в нужном месте, дает такое же тепло, как хорошая чугунная батарея и конвекция присутствует и хорошо перераспределяет тепло в помещении, но лучистое тепло преобладает и это хорошо.

Системы инфракрасного (лучистого) отопления

Тепло — одна из самых важных составляющих комфортного климата. Ученые доказали, что производительность труда напрямую зависит от комфортных микроклиматических условий на рабочем месте. Если проанализировать постоянные затраты на производственный процесс, можно увидеть, что зимой около 25 % из них составляют затраты на обогрев производственных площадей. Это очень существенный показатель. В условиях суровых российских зим и постоянного повышения цен на энергоносители у предприятий возникает необходимость поиска более экономичных источников тепла. Отопление инфракрасными излучателями до сих пор считается нетрадиционным, хотя этот способ уже получил широкое распространение в России. Результат внедрения этих систем — ощутимая экономия затрат на отопление при более комфортном распределении тепла.

Рис. 1. Различия между традиционной и инфракрасной системами отопления

Рис. 2. Потери при транспортировке тепла

Рис. 3. Принцип работы газового инфракрасного излучателя «светлого» типа

Рис. 4. Принцип работы газового инфракрасного излучателя «темного» типа

Инфракрасное (лучистое) отопление основано на принципе теплового излучения. Тепловое излучение — это переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Количество переданного тепла зависит от физических свойств самих тел, их взаимного расположения, температуры их поверхностей и т.д.

Примером передачи тепла от одного тела другому посредством излучения представляют собой Солнце и Земля. Тепло, излучаемое Солнцем, проходит через космический вакуум и атмосферу, достигает поверхности Земли и нагревает ее именно в результате излучения. Нагретое тело излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн, вследствие чего его температура уменьшается, и если какое-нибудь тело подвергается тепловому излучению, его температура увеличивается.

Установлено, что применение инфракрасного отопления благоприятно сказывается на человеке. При определенной интенсивности теплового потока его воздействие вызывает приятное тепловое ощущение. При лучистом обогреве человеческое тело отдает большую часть избыточного тепла путем конвекции окружающему воздуху, имеющему, как правило, более низкую температуру. Такая форма теплоотдачи действует освежающе и благоприятно влияет на самочувствие.

Различия традиционной и инфракрасной систем отопления

В традиционных конвективных системах отопления температура воздуха в районе потолка заметно выше, чем в районе пола, т.к. нагретый воздух поднимается вверх. Это ведет к неравномерности распределения температуры по высоте и непроизводительным потерям тепла в районе кровли, что заставляет проектировщиков увеличивать мощность отопительной системы (рис. 1). В установках лучистого отопления предполагается направленное излучение в нижнюю зону помещения.

Тепло при этом передается непосредственно обогреваемым поверхностям, а не воздуху, отсутствует необходимость приращения мощности установки в расчете на высоту помещения. Отсутствие застоя теплого воздуха в районе кровли способствует уменьшению тепловых потерь и созданию более комфортных условий микроклимата. Температура воздуха может быть немного ниже расчетной, в то время как поверхности стен и оборудования имеют температуру выше, что в целом дает то же ощущение комфорта для человека.

В традиционных конвективных системах происходит двухступенчатый нагрев: сначала теплоносителя и затем воздуха помещения, что уменьшает КПД и значительно сокращает мощность отопительной системы. Системы лучистого отопления не нуждаются в промежуточном теплоносителе. Их принцип — прямой нагрев. При использовании центрального отопления неизбежны потери.

В системах с газовыми инфракрасными излучателями (ГИИ) теплоноситель сгорает непосредственно на месте его использования, поэтому потери при передаче тепла на расстояние отсутствуют (рис. 2). Отопительные системы инфракрасного излучения дают возможность регулирования параметров их работы под каждый конкретный объект: от поддержания температуры на заданном уровне до программирования недельного режима работы системы с выделением рабочего времени, ночных часов и режима выходного дня.

Такая гибкость позволяет значительно сократить общие затраты на отопление.

Принцип действия инфракрасного (лучевого) отопления

Инфракрасное отопление осуществляется при помощи инфракрасных излучателей. Излучатель генерирует, формирует в пространстве и направляет тепловое излучение в зону обогрева. Оно попадает на пол, стены, технологическое оборудование и людей, находящихся в зоне действия инфракрасного излучения, поглощается ими и нагревает их.

Поток излучения, поглощаясь поверхностями, одеждой и кожей человека, создает тепловой комфорт без повышения температуры окружающего воздуха. Воздух практически прозрачен для инфракрасного излучения, он нагревается за счет вторичного тепла, т.е. конвекции от конструкции и предметов, нагретых излучением.

Системы газового инфракрасного отопления используются для отопления промышленных и сельскохозяйственных зданий и сооружений, открытых и полуоткрытых площадок различного назначения, помещений, функционирующих короткое время, например, спортивных манежей, теннисных кортов, частично защищенных от ветра, монтажных участков, строительных площадок, террас, кафе и т.д. Кроме того, инфракрасные системы можно задействовать в различных технологических процессах, таких как сушка, термообработка и т.д.

Излучатели подвешиваются к потолку (высотой от 4 м), не занимая полезной площади, их незначительный вес не нарушает статику строительных конструкций. Инфракрасные излучатели делят на «светлые» и «темные». «Светлые» — с температурой на поверхности от 700 до 1000°С, по длине волны они ближе к видимому свету.

Излучатели с температурой поверхности около 400°C называются «темными». Рассмотрим принципы действия «светлых» и «темных» инфракрасных излучателей на примере оборудования самого крупного российского производителя инфракрасных систем — ЗАО «Сибшванк». Инфракрасные излучатели и первого и второго типов, как правило, размещают внутри самого помещения, но возможна их установка на открытом воздухе (при условии, что излучатель защищен от ветра).

Там, где требуется обогреть максимальную площадь относительно невысокого помещения, рекомендуются излучатели «темного» типа. Для «светлых» излучателей требуется подведение газа и электропитания. Точно дозированное количество газа поступает в смесительную трубу, где он смешивается с воздухом, превращаясь в легковоспламеняемую смесь (газ-воздух).

Она равномерно распределяется в смесительной камере, предварительно подогревается и затем попадает на керамическую плитку (рис. 3, а). Тысячи маленьких отверстий плитки обеспечивают процесс низкотемпературного горения.

Сама плитка при этом нагревается до температуры 900°С. Количество выбросов вредных продуктов сгорания (СО2 иNO2) при низкотемпературном горении незначительно (рис. 3, б), поэтому местной и общеобменной вытяжной вентиляции достаточно для применения этого типа инфракрасных обогревателей. Каждый излучатель постоянно контролируется датчиком контроля горения.

При отсутствии газа, напряжения в сети или прерывания горения автоматически срабатывает газовый электромагнитный клапан. Все эти процессы обеспечивает микропроцессорный блок управления процессом розжига и контроля горения. Давление поступающего газа поддерживается на постоянном уровне посредством электромагнитного клапана-редуктора (рис. 3, в). ля «темных» излучателей необходимо кроме газовой и электрической подводки оборудовать отдельный воздуховод для отвода продуктов сгорания.

Газ, проходя через комбинированный газовый клапан, смешивается с воздухом и поступает в специальную смесительную камеру, где образуется горючая смесь. Она проходит через керамическую плитку и зажигается на ее передней поверхности. Пламя и продукты сгорания равномерно распределяются по всей длине излучающей трубы, обеспечивая приятное тепловое ощущение.

Несгоревшие остатки выводятся при помощи вентилятора в системе отвода отходящих газов, которая монтируется отдельно для каждого излучателя. Система безопасности и регулирования работы аналогична примененной для «светлых» излучателей: утечка газа невозможна. Принцип работы «темного» газового излучателя представлен схематично на рис. 4.

Системы отопления с ГИИ допускается применять в помещениях категории взрывопожароопасности В2, B3, B4; Д и Г, кроме зданий IVa и V степени огнестойкости. Рекомендации по применению систем обогрева с ГИИ разработаны АВОК, одобрены и рекомендованы к применению Главным управлением стандартизации, технического нормирования и сертификации Минстроя России. Подводя итоги вышесказанному, можно выделить следующие преимущества системы инфракрасного отопления:

Сравнительный анализ воздушного и лучистого отопления помещений большого объема

Существуют два альтернативных способа отопления помещений большого объема, к которым, прежде всего, относятся производственные сооружения различного назначения, а также спортивные комплексы, выставочные залы, склады и т.п. Таковыми являются воздушное и лучистое отопление. В последние годы, особенно в зарубежной литературе, имели место многочисленные дискуссии о преимуществах и недостатках указанных способов. В связи с тем, что на текущий момент в России отсутствует четкое мнение по данному вопросу среди потребителей и поставщиков отопительного и вентиляционного оборудования, предпринята попытка сопоставить рассматриваемые способы с технической и экономической точек зрения.

Рис. 1. Зависимость A/ V от Ag при H = 10; 8; 6 и 4 м

Рис. 2. Роль радиационного фактора в работе светлых (tρ = 900°С) и темных (tρ = 450°С) излучателей

Прежде всего, лучистое отопление следует различать, исходя из используемого типа излучателей, классифицируемых следующим образом:

темные излучатели в соответствии с DIN 3372, часть 6 [1], без открытого пламени с температурой поверхности, не превышающей 450°С;
светлые излучатели в соответствии с DIN 3372, часть 1 [2], с температурой поверхности до 900°С.

Среди многочисленных типов оборудования, используемых для воздушного отопления, наибольший интерес представляют децентрализованные агрегаты с верхней раздачей воздуха свободными струями с полым ядром и регулируемым углом закручивания [3–9]. Что касается лучистого отопления, из физических соображений только светлые излучатели в полной мере реализуют лучистый теплообмен, интенсивность которого в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорциональна четвертой степени разности температур обменивающихся теплом поверхностей.

В случае темных излучателей, использующих длину волны излучения порядка 10 м, наряду с лучистой составляющей существенным является конвективный теплообмен, что, с одной стороны, позволяет в определенной мере избежать недостатков, характерных для лучистого отопления, а, с другой стороны, приводит к ухудшению условий обогрева, свойственных размещению нагревателей конвективного типа под потолком.

1. Останавливаясь на лучистом отоплении с использованием светлых излучателей, следует отметить, что созданию высоких температур сопутствует выгорание кислорода, а также образование вредных веществ за счет пригорания пыли. В связи с этим возникает потребность в определенном количестве свежего воздуха. Согласно рекомендациям DVGW G 638, часть 1 [10], на каждый кВт мощности, развиваемой светлыми излучателями, необходимо гарантированное снабжение не менее 30 м 3 /ч свежего воздуха.

Таким образом, возникающий эффект «антивентиляции» приводит к тому, что их использование в достаточно герметичных строительных объемах проблематично. Очевидным является следующее отношение площади ограждающих конструкций к объему помещения:

где: W— ширина, L — длина, H — высота помещения. В результате несложных преобразований имеем:

где: ζ= L/W,A_f = LW. При высоте помещения 10 м, ζ= 10, A_f ≈ 1000 м 2 , имеем A/V ≈ 0,3. Полагая потери тепла через ограждающие конструкции равными 0,1 кВт/м 2 , получаем, что применение светлых излучателей допустимо при естественной аэрации, составляющей не менее 0,1•0,3•30 = 0,9 1/ч.Указанное соответствует условиям негерметичных помещений, открытых и полуоткрытых площадок.

2. Независимо от типа излучателя перенос тепла за счет лучистой составляющей происходит опосредованным образом. Под действием относительно высокой температуры излучателя в первую очередь осуществляется разогрев ограждающих поверхностей, которые, в свою очередь, служат вторичным источником тепловыделений. В этом смысле показательным является анализ приведенной выше формулы (2), характеризующей взаимосвязь между площадью пола Ag, м 2 , и отношением площади ограждающих конструкций к объему помещения A/V.

На рис. 1 указанная зависимость представлена графически для различных значений высоты помещения H. Детальные исследования [11], в т.ч. путем постановки крупномасштабных экспериментов в натуре, показывают, что использование светлых излучателей является эффективным при высоте помещения не более 10 м, а темных излучателей — при высоте помещения не более 5 м.

При этом следует заметить, что современные вентиляционные агрегаты с верхней раздачей воздуха обеспечивают формирование свободных аэродинамических струй, имеющих дальнобойность до 18–20 м. Обращаясь к графику, представленному на рис. 1, следует заметить, что в рассматриваемом диапазоне высот помещений площадь A, а, следовательно, и роль ограждающих конструкций в качестве вторичного источника тепловыделений по сравнению с общим объемом помещения V сохраняется повышенной только при значениях площади пола Ag, не превышающей 2000–3000 м 2 .

Таким образом, становятся очевидными преимущественные области использования лучистого и воздушного отопления, из которых последнее является предпочтительным для помещений большого объема, имеющих площадь не менее 2000м 2 и высоту потолков не менее 10 м.

3. Одним из преимуществ лучистого отопления является возможность поддержания более низких температур воздуха внутри помещения при создании аналогичных условий тепловых ощущений, что и при использовании воздушного отопления. Указанное обстоятельство рассматривается как фактор энергосбережения, поскольку при этом несколько снижается количество тепла, потребного для подогрева приточного воздуха. Действительно, лучистое отопление характеризуется следующими основными показателями:

Средняя радиационная температура t_p, равная температуре поверхности абсолютно черного тела, с которым происходил бы лучистый теплообмен, эквивалентный имеющему место в реальной обстановке;
Температура воздуха внутри помещения t_a;
Оперативная температура t₀, равная температуре поверхности абсолютно черного тела, с которым происходил бы в сумме лучистый и конвективный теплообмен, эквивалентный имеющим место в реальной обстановке;
Эффективный лучистый поток ERF, воздействующий на человека.

При известных значениях коэффициентов лучистого h_p и конвективного h_c теплообмена соотношения между перечисленными выше основными показателями определятся:

Из приведенных формул очевидным является с увеличением радиационного фактора рост температуры поверхности ограждающих конструкций, что обуславливает потери тепла за счет их теплопроводности. В результате выигрыш энергии, расходуемой на подогрев приточного воздуха, оказывается связанным с повышенными кондуктивными теплопотерями. Количественно энергетический баланс определяется значениями h_p и h_c, выражаемыми следующим образом

где: v — подвижность воздуха, м/с; C₁ — константа, C₁ = 0,107. Отсюда, роль радиационного фактора существенным образом зависит от подвижности воздуха в помещении и типа излучателя, что представлено на рис. 2.

4. Эффективность использования тепловой энергии внутри помещения зависит от формируемого по вертикали градиента температур. Обычно за счет естественной конвекции указанный градиент составляет порядка 1°С/м, что при высоте помещения H = 10 м означает перегрев скапливающегося под потолком воздуха на 10°С по отношению к рабочей зоне. Воздушное отопление с использованием вертикально направленных вниз свободных струй позволяет снизить нежелательную температурную стратификацию вплоть до значений градиента порядка 0,1°С/м.

Это способствует не только более рациональному распределению тепла внутри помещения, но и снижает тепловые потери через кровлю, которая, как правило, обладает большей теплопроводностью в сравнении с другими ограждающими конструкциями. При использовании лучистого отопления, особенно с темными излучателями, имеет место обратная картина. Расположенные под потолком источники тепла, конвективная составляющая которых, как показано выше, доходит до 30%, непреднамеренно увеличивают вертикальный градиент температуры по сравнению с естественным.

В результате практически наблюдаемый перегрев воздуха в подпотолочном пространстве может достигать нескольких десятков градусов Цельсия с вытекающими отсюда нежелательными последствиями с энергетической точки зрения. Согласно теоретическим оценкам КПД темного излучателя с замкнутой нагревательной системой составляет около 88%. У децентрализованных воздухонагревателей с верхней раздачей воздуха коэффициент полезного действия достигает 92–94%.

Проведенные в Германии эксперименты [11] показали, что в цехе металлоконструкций с высотой потолков 12 м, который вначале был оснащен системой лучистого отопления, а затем переоборудован с использованием децентрализованных вентиляционных агрегатов воздушного отопления, температура в рабочей зоне изменилась с 11 до 11,5°С, в то время как температура воздуха под потолком снизилась с 28 до 18°С.

Дневной расход топлива при этом сократился с 24,8 до 11,7 м 3 . В другом примере техникоэкономическая оценка показала, что замена лучистого на воздушное отопление машиностроительного цеха объемом 22 тыс. м 3 имела своим результатом сокращение годовых расходов на энергоносители с 49 тыс. до 17 тыс. немецких марок.

5. Считается, что лучистое отопление характеризуется быстрым разогревом помещения. Это действительно так в сравнении с традиционной системой отопления конвекторного типа. В сравнении же с воздушным отоплением, использующим децентрализованные вентиляционные агрегаты с верхней раздачей воздуха, лучистое отопление оказывается более инерционным.

Дело в том, что воздушное отопление реализует тепловую энергию непосредственно путем подачи в рабочую зону воздуха, подогретого необходимым образом. Разогрев же ограждающих конструкций является вторичным, температура поверхности которых постепенно приближается к температуре воздуха, оставаясь несколько ниже в зависимости от теплопроводности используемых строительных материалов.

При использовании лучистого отопления ситуация является прямо противоположной. В первую очередь происходит разогрев ограждающих конструкций под действием лучистого тепла, и лишь затем разогревается воздух, температура которого всегда остается ниже температуры ограждающих конструкций. Лимитирующим фактором при этом является не только теплопроводность используемых строительных материалов, но и другие их теплотехнические свойства, объединяемые понятием температурная проводимость:

с точки зрения поддержания заданных температурных режимов при варьируемых условиях работы (открывающиеся ворота, переменные технологические процессы, транспортные операции);
при переходе из дежурного в рабочий режим, например, в начале смены после ночного снижения температуры до минимально допустимого уровня.

При этом следует иметь в виду, что лучистое отопление регулируется, как правило, по принципу включено/выключено, в то время как воздушное отопление поддается пропорциональному регулированию. Регулирование путем отключения и включения лучистых обогревателей (свет — тепло, темнота — холод) целиком либо группами приводит к невозможности равномерного поддержания заданных температурных режимов как в пространстве, так и во времени.

Групповое регулирование (отключение каждого второго или третьего излучателя) приводит к неоднородности распределения температур по площади помещения. При этом имеет место также нестабильность температурных режимов во времени, которая является особо выраженной в случае регулирования путем отключения и включения системы лучистого отопления целиком.

6. Неоднородность формируемых температурных полей является характерной особенностью лучистого отопления. Помимо ограждающих конструкций существенную роль играет внутренняя планировка помещений, а также размещаемое в них оборудование. В результате создаются зоны затенения, условия прогрева которых резко отличаются от зон прямого воздействия излучателей.

Недостатки проектирования лучистого отопления за счет этого могут приводить к наличию температурных контрастов, что создает угрозу простудных заболеваний. В этом отношении воздушное отопление, работающее по принципу «затопления» рабочей зоны нагретым воздухом, создает «мягкое» тепло, лишенное резких температурных контрастов.

Отдавая должное лучистым излучателям как наиболее простому и в ряде случаев дешевому средству отопления, следует признать ряд сопутствующих их применению недостатков. Светлые излучатели допустимы к использованию в условиях негерметичных помещений, открытых и полуоткрытых площадок.

Применение темных излучателей рационально при отоплении помещений сравнительно небольшой площади и объема, не требующих создания повышенных комфортных условий. В остальных случаях современные системы воздушного отопления, использующие децентрализованные вентиляционные агрегаты с верхней раздачей воздуха, обладают неоспоримыми преимуществами. Экономическая целесообразность использования подобных систем должна обосновываться сравнительным анализом не только капитальных, но и эксплуатационных затрат.

Читайте также:

Сравнение лучистого и конвективного отопления