Конвективные системы отопления прочно удерживают лидерство по прменению в современных домах. Но системы лучистого отопления вполне готовы с ними серьезно побороться за наш с вами комфорт.
Примерно 200 лет назад системы отопления наших домов стали перерождаться, популярные тысячелетиями печи и камины были названы архаизмами, их заменила система водяного отопления, дающая конвективное тепло.
Лучевое или лучистое отопление
На лучевом тепле в течение века был поставлен крест, его списали в утиль, однако исследования учёных, проведённые за последние полвека, показывают совершенно обратное — лучевое тепло по своим характеристикам превосходит конвективное, причём по целому ряду характеристик. Предлагаем разобраться в этом вопросе и выяснить, чем же лучистое отопление лучше конвективного.
История отопления — от лучевого к конвективному и… опять к лучевому?
На протяжении тысячелетий первым и единственным источником отопления в человеческом жилище был костёр, а сам способ отопления — конвективно-лучевой. Во время горения костра в примитивной печи-каменке и после этого, при тлении кострища, от каменного портала исходили инфракрасные лучи, а вследствие конвекции нагревался воздух в помещении.
Очевидный недостаток такого способа отопления — при горении костра жилище наполняли дымовые газы, создавая невыносимую атмосферу. Поэтому в верхней точке кровли домов выполнялось отверстие дымохода, через которое улетучивался горячий дым вместе с нагретым воздухом, основная ставка делалась на лучевое отопление, т. к. его интенсивность не зависела от степени нагрева воздуха.
Две тысячи лет назад были созданы новые системы отопления, основанные на каналах под поверхностью каменных полов, по которым двигались дымовые газы от растопленных печей, нагревая полы своим теплом (гипокауст (Др. Рим), глория (Испания), ондоль (Корея), дикан (Китай) и др.). Население Европы между тем использовало частично модифицированный вариант костра — обложенный булыжниками очаг, топящийся по-чёрному. Только к XV веку европейцы усовершенствовали каменный очаг, подведя к нему вытяжную трубу, сколоченную из дерева.
В XVII веке в замковых и дворцовых комплексах России и Европы была популярна «русская система» отопления — воздухозаборная шахта проходила вплотную к стенке печи и вдоль неё, где воздух нагревался и вследствие конвекции поднимался по разветвлённым кирпичным каналам к помещениям, которые необходимо было отапливать. Отдав тепло, воздух из помещений уходил по вытяжным каналам за пределы здания.
Отопительная система такой конструкции полностью исключала возможность проникновения дымовых газов в жилые помещения, что было по тем временам удивительным ноу-хау. Данная система отопления, получившая название «огневоздушная система», пользовалась нарастающей популярностью до середины XIX века, однако к его концу перестала пользоваться спросом, чему способствовали постоянный низкочастотный гул в воздуховодах, чрезмерная сухость воздуха, пригорание пыли с отложением пылевой сажи на стенах и предметах интерьера.
В конце XVIII века французский инженер Жан-Симон Боннеман изобрёл и построил первую систему водяного отопления, циркуляция теплоносителя в которой осуществлялась естественным путём.
Спустя полвека в России появилась система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, разработанная профессором Петром Григорьевичем Соболевским. Конвекционные водяное, паровое и огневоздушное виды отопления набирали популярность год от года, во многом благодаря техническому прогрессу, появлению и развитию централизованных источников нагрева теплоносителя и систем для его доставки к объектам потребления.
В пользу конвективного водяного отопления сыграло масштабное строительство типовых многоэтажек с минимальным утеплением фасадов, низкокачественным перекрытием оконных и дверных проёмов — лучевое отопление эффективно только в хорошо утеплённом здании.
Однако спустя 150 лет учёными было установлено, что восприятие лучевого отопления гораздо ближе человеку, чем конвекционный нагрев воздуха. Причём не только человеку, но и предметам быта, а также материалам, использованным при внутренней отделке помещений.
Отопление в быту — реалии
Приходилось ли вам зимой находиться в неотапливаемом или плохо отапливаемом помещении — школьном классе, аудитории института или в актовом зале при каком-то учреждении? В ответ на недовольство собравшихся преподаватель (лектор) успокаивает — ничего, надышим и через полчасика тепло будет.
И действительно, через некоторое время становиться теплее, но причина этого вовсе не связана с термином «надышали» — присутствующие согрели атмосферу помещения тепловым излучением, генерируемым собственными телами. Исходящие от тел присутствующих в аудитории инфракрасные лучи нагревают расположенные вблизи них предметы, те, в свою очередь, генерируют собственное излучение, передавая его соседним предметам, а тепло своих поверхностей — воздуху.
Каждый и любой объект, имеющий температуру более абсолютного ноля по Кельвину (или –273,15 °С), излучает инфракрасные лучи. Излучение тем интенсивнее, чем выше температура объекта — к примеру, человеческое тело при его нормальной температуре (от 36,6 до 37 °С) генерирует инфракрасные лучи средневолнового диапазона, с длиной волны от 5 до 25 мкм.
Расход человеческой энергии на инфракрасное свечение сокращается при условии повышения температуры окружающей среды, но не воздуха, а ограждающих конструкций (стен, потолка и пола) и предметов мебели. Дело в том, что воздушная среда прозрачна и проницаема для инфракрасных лучей, соответственно, холодные стены и пол будут тянуть инфракрасное тепло из человеческих тел даже при 25-ти градусной температуре воздуха в помещении — это лучистый теплообмен, объясняемый законами Планка и Стефана-Больцмана.
Поколения горожан привыкли к условиям жизни в кирпичных и панельных домах, пытаясь компенсировать расходы инфракрасной энергии тела, уходящей на обогрев ограждающих конструкций, с помощью электроконвекторов разного рода.
В памяти горожан отложилась смутная убеждённость о значимости деревянных стен в доме, которые способны «дышать», компенсируя влажность воздуха — действительно, такая способность у ничем не окрашенных брусовых и бревенчатых стен имеется, однако главную роль в деревянных домах играли вовсе не они, а русская печь.
Массивной конструкции русской печи отводилось значительное место в доме, она отлично держала тепло и обогревала весь дом именно инфракрасным излучением. Никакая водяная или воздушная система отопления не сравнится по своим отопительным возможностям с русской печью!
К слову, именно из-за лучевого способа прогрева выпечка в русской печи получается гораздо аппетитнее и вкуснее, чем в самой современной духовке, принцип приготовления в которой основан на раскалённом воздухе (огневоздушная система).
Свойства лучистой энергии с позиции отопления исследовались лабораторией при Йельском университете, финансируемой фондом Джона Бартлетта Пирса — результаты эксперимента, проведённого с участием добровольцев, оказались весьма показательными.
На первом этапе испытуемых помещали в небольшую комнату с искусственно охлаждёнными стенами, температура воздуха в ней поддерживалась при помощи тепловентиляторов на уровне 50 °С — добровольцы, одетые в лёгкую одежду, после пребывания в этом помещении жаловались на сильный холод.
Во время второго этапа температуру воздуха намеренно понизили до 10 °С, а стены нагрели при помощи встроенных внутрь труб, по которым циркулировала горячая вода — испытуемые, одетые всё так же легко, при нахождении в этом помещении обильно потели, им было жарко.
Впрочем, проверить и лично испытать на себе «вампиризм» холодных и «донорство» нагретых стен каждый из нас может в любое время — нужно всего лишь подойти и встать перед стеной. Зимой вы почувствуете исходящий от неё холод, т. к. образующий стену материал будет поглощать исходящие от вас инфракрасные лучи, летом — ощутите тепло, т. е. уже ваше тело будет впитывать инфракрасное излучение, полученное стеной от Солнца в течение дня.
Описание систем лучистого отопления
Идеальным источником лучистого обогрева была и остаётся массивная печь, однако в условиях квартиры или офиса, да и во многих частных домах устроить такую печь нереально. Рассмотрим современные системы лучистого отопления, позволяющие обойтись без такой печи — «тёплый пол», стеновые и потолочные излучающие панели.
Системы «тёплых полов» различаются по конструкции и принципу отопления:
- к конвективным относятся любые системы с водяным теплоносителем, а также кабельные, кабельные с укладкой в теплоизоляционные плиты и плёночные (греющие маты — тонкий кабель, размещённый в сетчатой основе);
- лучевое тепло вырабатывают углеродные плёночные (греющий элемент — полосы графита, запаянные в плёнку из полиэстера) и стержневые полы (их греющие элементы также выполнены из графита).
Панели, устанавливаемые на стены, представляют собой модульные блоки из медной трубы, теплоносителем в них выступает горячая вода. Теплопередача лучевого тепла у стеновых панелей с циркулирующей горячей водой при температуре 40 °С составляет порядка 80%, остальные 20% приходятся на конвекцию — это связано с допустимо высокой температурой теплоносителя, превышающей предельно установленные европейскими стандартами 30 °С для «тёплого пола».
Медные модульные блоки устанавливаются на поверхность стены при помощи горизонтальных или вертикальных штанговых опор, перед этим на поверхность стены монтируется слой утеплителя с алюминиевой фольгой.
После установки стеновые панели заделываются 350 мм слоем штукатурки, закрываются гипсокартоном или другими жёсткими покрытиями. Помимо внешней установки модульные блоки для лучевого отопления могут устраиваться внутрь бетонных стен — крепятся к армирующей раме с последующей заливкой бетоном.
К достоинству стеновых панелей относится более низкая тепловая инерция, по сравнению с «тёплыми полами», что особенно удобно для зданий с периодическим режимом отопления. Следует заметить, что для эффективного отопления стеновым панелям необходимо свободное пространство по периметру стен, в которых они установлены — при большом количестве корпусной мебели использовать их нерационально.
Первые модели потолочных излучающих панелей были созданы задолго до «тёплых полов» и стеновых панелей, интерес производителей к ним объяснялся просто — потолок, а значит, и потолочные панели, располагался дальше всего от домочадцев, что позволяло разогреть панели до высоких температур без какого-то ущерба для человека.
Максимальная температура современных потолочных панелей зависит от высоты потолков — оптимальный перепад между температурой воздуха в помещении и температурой поверхности лучевой панели находится на уровне 10 °С. Современные потолочные панели не встраиваются в перекрытия — устанавливаются на поверхности потолка, что позволяет упростить их монтаж и обслуживание.
Источник: econet.ru
Тепло лучистых нагревательных панелей
Аналогично изразцовым печам, лучистые панели нагревают локально, создавая тёплый микроклимат в пространстве. Однако, поскольку инфракрасные нагревательные панели оснащены тонкой металлической поверхностью с малой или полностью отсутствующей тепловой массой, эти приборы способны быстро вырабатывать тепло.
Такой фактор привлекает для применения в местах редко эксплуатируемых и в условиях часто изменчивого климата. То есть в тех условия, где эксплуатация изразцовых печей, реактивно-массивных нагревателей и термически активных поверхностей зданий видится нерациональной.
Поскольку лучистые нагревательные панели способны быстро генерировать тепло, эти приборы логично подключать только в моменты присутствия людей внутри помещений.
Излучающие отопительные панели видятся более выгодными по отношению к отопительным системам старого образца. Главные преимущества – малый вес и компактное исполнение.
Также следует отметить простую установку отопительных панелей внутри зданий. Излучающие тепло панели допустимо монтировать на стенах или потолке. Приборы поддерживают свободно висящую конфигурацию или могут встраиваться в подвесную потолочную систему.
Эти моменты лишний раз подтверждают практичность приборов, возможности использования в разных комнатах здания. По сути, это своего рода мобильный тип отопительной системы.
С другой стороны, нагреваемая поверхность лучистой панели небезопасна для открытого применения, так как существует риск получения ожога при неосторожном обращении и отсутствии ограждения. Это означает, что передача тепла методом кондукции в данном случае невозможна.
Принцип действия обогревающих панелей
Внутри жидкостных панелей нагретая вода течет через пластиковые или медные трубки, прикрепленные к металлической пластине. Отбирая тепло от воды, металлическая пластина излучает тепло в пространство.
Электрические панели отопления работают похожим принципом, но тепло создается за счёт прохождения тока через электрическое сопротивление. Подобно водяным термически активным системам зданий, жидкостные лучистые панели также поддерживают эффект охлаждения.
Подобная конфигурация, между тем, не поддерживается электрическими лучистыми нагревательными панелями. С другой стороны, электрические панели отопления проще в установке и более отзывчивы по сравнению с гидравлическим вариантом. Требуется менее 5 минут для выхода электрической панели отопления на полную мощность излучения.
Ассоциация с традиционным радиатором
Жидкостные излучающие нагревательные панели не следует ассоциировать с так называемыми «радиаторами», которые широко распространены в европейской сантехнике. Несмотря на гидравлический принцип, конструкция направлена на создание максимальной доли конвекции.
Поэтому жидкостные отопительные панели логично называть «конвекторами». Лучистые металлические поверхности таких «радиаторов» обращены друг к другу, поэтому большая часть поверхности нагрева не излучает тепло напрямую к объекту.
Излучением энергии по принципу «друг к другу», воздух, поступающий снизу, нагревается между панелями посредством кондукции, затем поднимается и нагревает пространство методом конвекции.
Другое отличие состоит в том, что «радиаторы» имеют более низкие температуры поверхности, чем инфракрасные панели. Как следствие, доля лучистого тепла в общем теплообмене составляет всего 20-30%. То же самое касается электрических панельных «радиаторов».
Что касается электрических панелей обогрева, фактически речь идёт об электрических длинноволновых инфракрасных обогревателях. Но современные конструкции не следует приравнивать к старым образцам.
Устаревшие конструкции известны как электрические коротковолновые инфракрасные нагревательные приборы. Их явное отличие – генерация видимого красного света в процессе работы.
Современные долговечные лучистые нагреватели не создают видимого света и отличаются более низкими температурами поверхности. Необходимо подчеркнуть:
Обе технологии оказывают определённое влияние на здоровье человека.
Эффективность в зависимости от конструкции панели
Инфракрасные нагревательные панели являются идеальным дополнением для систем радиационного отопления с высокой массой. Например, инфракрасная панель отопления способна быстро нагреть часть комнаты, пока изразцовая печь выходит на рабочий режим.
Такой принцип решает задачу экономичного комфорта для людей, приверженных нерегулярным графикам посещения жилья. Аналогично сочетание «быстрого» и «медленного» источников лучистого нагрева открывает больше возможностей регулировки в условиях переменной погоды.
Различные источники лучистого нагрева также могут дополнять друг друга в разных комнатах одного здания. Например, изразцовая печь гостиной может удачно совмещаться с лучистыми нагревательными панелями, установленными в спальной и ванной комнатах.
Тем не менее, важно иметь в виду, что лучистые нагревательные панели теряют часть своих преимуществ по сравнению с высоко-массивными тепловыми системами, если постоянно используются и когда внутри помещений присутствует много людей.
Этот вывод особенно справедлив для электрических панелей отопления, которым потребуется больше энергии при постоянной работе. Электрические обогревающие панели утрачивают преимущества по эффективности в сравнении с обычным конвекционным отоплением, если используются для обогрева всей площади вместо создания отдельных зон микроклимата.
Вертикальное или горизонтальное излучение тепла?
Каждый источник лучистого отопления нагревает воздух. Однако доля излучения теплообмена источника излучения может варьироваться от 50 до 95%, в зависимости от ориентации поверхности лучистого нагрева.
Если имеет место направление вниз, достигается наибольшая доля излучения (до 95%). В то же время боковые направления дают эффект теплоотдачи на 60-70%. Тепловые поверхности, обращённые вверх, способны достигать не более 50-60% теплопередачи.
Значимое влияние поверхностной ориентации наблюдается при естественном движении нагретого воздуха вверх. Поскольку нисходящей конвекции не существует — теплый воздух всегда поднимается. Лучистая тепловая поверхность, направленная вниз, практически не нагревает воздух.
Как следствие, потолочные радиаторные нагревательные поверхности являются наиболее энергетически эффективными. Так, если для получения оптимального излучения, какое даёт панель, направленная вниз, требуется мощность 250 Вт, аналогичная панель, ориентированная на боковину, требует уже 325 Вт, а направленная вверх — 350 Вт мощности.
Однако высокая доля лучистого тепла для нагревательных панелей, обращенных вниз, не означает, что потолок по определению является наиболее подходящим местом для установки источника лучистого тепла.
Люди обычно находятся в вертикальном положении во время бодрствования, либо встают, либо садятся. Поэтому, в то время как потолочная панель максимизирует производство лучистого тепла, вертикально расположенная боковая панель максимизирует прием лучистой энергии.
Лучистая температурная асимметрия панели
Еще одна причина выбора вертикально ориентированной поверхности лучистого нагрева — это лучистая температурная асимметрия. Человеческому организму присуще свойство испытывать разницу температур, когда идёт нагрев местным источником кондуктивного отопления.
Человек, сидящий перед открытым огнем, получит достаточное лучистое тепло для одной стороны тела, но другая сторона остаётся в зоне холодного воздуха противоположной половины комнаты. То есть, чувствительность температурной асимметрии сильно зависит от ориентации источника нагрева.
Люди менее чувствительны к лучистой температурной асимметрии, вызванной нагретой вертикальной поверхностью изразцовой печи или настенной инфракрасной нагревательной панелью.
Здесь разница температур может достигать 35ºC, прежде чем 1 из 10 человек начнёт жаловаться на тепловой дискомфорт. Тем не менее, в случае с направленным вниз источником лучистого тепла, жалобы отмечались при разности температур всего в 4-7°C.
Когда разность температур составляет 15ºC, около 50% людей, участвующих в эксперименте, сообщают о тепловом дискомфорте. Вывод прост: голова является частью тела, наиболее чувствительной к признакам нагрева.
Чувствительность относительно горячей поверхности над людскими головами не является проблемой, когда вся площадь поверхности выступает источником лучистого отопления. Например, термически активный потолок.
Из-за большой поверхности нагрева, лучистая температура такой системы невысока, часто ниже температуры тела человека. Тем не менее, гораздо более высокие температуры электрических или гидравлических излучающих нагревательных панелей способны нарушать температурную асимметрию тела некоторых людей.
Безопасность лучистых систем отопления
Существует разница между излучением солнца и похожим эффектом от систем лучистого нагрева. Солнце значительно горячее, а температура поверхности объекта излучения является фактором, определяющим доминирование длин волн электромагнитного спектра.
Очевидно: чем выше температура поверхности, тем выше доля коротковолнового излучения. Поскольку солнце имеет очень высокую температуру поверхности, выдаётся значительное количество вредных ультрафиолетовых и коротковолновых инфракрасных волн. Поэтому врачи не рекомендуют много времени находиться под лучами солнца.
Однако если температура поверхности источника ниже 100ºC, как в случае систем лучистого отопления, длинноволновый инфракрасный луч доминирует в теплопередающем потоке. При этом длинноволновое инфракрасное излучение не способно проникать сквозь кожу и считается безвредным.
Тем не менее, камины, дровяные печи и коротковолновые лучистые обогреватели, температура которых выше температуры изразцовых печей, инфракрасных панелей или нагретых строительных поверхностей, теоретически считаются опасными. Эти объекты излучают коротковолновую радиацию, а потому могут создавать последствия для здоровья.
Пример – «Erythema ab igne» – инфракрасная эритема, рассматривается состоянием кожи, вызванным повторным и продолжительным воздействием источника тепла. В принципе, доброкачественный дерматит, пятна от которого обычно исчезают спустя некоторое время после окончания теплового воздействия.
Последствия долговременного нагрева
Однако если нагрев продолжается долгое время, заболевание кожи грозит перерасти в хронический вид. В конечном итоге не исключён рак кожи. Правда, такие варианты встречались крайне редко. Основная проблема – косметический эффект, достаточно впечатляющий, напоминающий татуировку.
Дефект «Erythema ab igne», вызванный источником лучистого тепла, традиционно встречается у поваров и пекарей (на руках), а также у ювелиров, серебряников и стеклодувов (на лице). Квалифицируется как профессиональное заболевание.
Медицинские случаи, вызванные слишком близким расположением людей у коротковолновых лучистых источников тепла, регистрируются достаточно часто. А вот сообщений о том, что дефект «Erythema ab igne» вызван длинноволновыми источниками лучистого тепла – никогда не фиксировалось.
Тем не менее, конструкции современных кондуктивных источников тепла выглядят рискованными элементами. Электрические и гидравлические нагревательные элементы с низкой температурой поверхности встраиваются в столы, стулья, скамейки.
Нередко такие конструкции используются в качестве переносных нагревательных модулей. Технологии устройства не ограничиваются мебелью или одеждой. Примерами выступают нагревающие браслеты или вещи гардероба с электрическим подогревом.
Недавние сообщения показывают, что дефект «Erythema ab igne» может проявляться после использования нагревательных модулей, обогревателей автомобильных сидений, нагревающих одеял, бутылок с горячей водой и даже ноутбуков, горячих ванн и душевых кабин.
Справедливости ради стоит отметить: большая часть случаев — это следствие чрезмерного использования кондуктивного нагрева. Например, использование источника тепла внутри автомобиля (сиденье с подогревом) в течение 2-4 часов в день. Очевидно: кондуктивные системы отопления способны воздействовать на кожу человека. Поэтому рекомендуется соблюдать осторожность.
Источник: zetsila.ru
Лучистое отопление
Одним из прогрессивных методов отопления помещений большой площади является лучистое отопление, которое, по сравнению с классическим паровым и газовым отоплением, требует значительно меньших затрат. Экономия достигается как в потреблении сжигаемого топлива, так и в общих, более низких затратах на отопление.
Однако вопреки этой бесспорной выгоде лучистого отопления отношение заказчиков к данному типу отопления пока очень осторожное. Они часто выбирают более традиционные системы отопления, порой не вполне подходящие для больших помещений.
Недоверие заказчиков связано, с одной стороны, с закрепившимся стереотипом — в советское время для отопления промышленных помещений большой площади использовали системы с центральными котельными, а с другой, — с незнанием физического принципа лучистого отопления. К тому же, по правде говоря, разработка проекта лучистого отопления сложнее, и в нем необходимо учитывать множество условий, влияющих на тепловой комфорт человека, находящегося в зоне лучистого отопления.
Попытаемся рассказать подробнее о лучистом отоплении
Прежде всего, что такое тепло и как человек его чувствует? Как нас учили в школе, температура вещества — это одно из проявлений его энергии, например тепловой вибрации молекул вещества.
Эта энергия распространяется в основном тремя способами:
1. Конвекцией, или распространением воздуха.
2. Кондукцией, то есть проводимостью.
3. Электромагнитными волнами, или излучением.
Первый и второй способы передачи энергии — конвекцию и кондукцию — как раз и используют конвекционные тепловоздушные отопительные системы. В этом случае тепловая энергия воздуха, согретого конвекторами или тепловоздушными обменниками, распространяется в пространство постепенной передачей энергии (тепла), причем сам источник энергии охлаждается.
Необходимым условием такого распространения тепла является вещественная среда, так как передача энергии (тепла) происходит при непосредственном соприкасании молекулы вещества с более высокой температурой с молекулой более низкой температуры. Человек в отапливаемом пространстве становится составной частью системы и ощущает тепло как непосредственную тепловую энергию окружающего воздуха и предметов, с которыми соприкасается. Таким образом, для конвек-ционно отапливаемого пространства действителен закон, согласно которому температура воздуха (tv), согретого конвекторами, выше или равняется температуре окружающих предметов (tp), которые должны быть согреты этим воздухом.
Над другим способом распространения тепловой энергии — излучением — мы часто даже не задумываемся, хотя с ним встречаемся каждый день. Этим способом Солнце передает свою тепловую энергию поверхности Земли, от которой впоследствии нагревается воздух. В данном случае речь идет о передаче тепла электромагнитным излучением определенной длины волны.
Энергия электромагнитного излучения трансформируется в тепло после попадания излучения на поверхность предметов, которые данную энергию поглощают. Здесь действительна физическая симметрия между излучением и поглощением энергии черного тела. Если мы нагреваем тело, оно начинает излучать электромагнитные волны (энергию) в окружающее пространство. Если данная энергия поглощается другим телом, это приводит к нагреванию этого тела, что и используется при лучистом отоплении, В этом случае лучистые отопительные устройства, которые размещают на определенной высоте над полом, излучают электромагнитные волны, которые с очень незначительными потерями проходят через воздух, поглощаются полом, вследствие чего повышается температура пола и предметов, на которые попадает излучение. Согретый таким образом пол нагревает воздух.
Влияние лучистого отопления на человека можно сравнить с прогулкой в солнечный весенний день. Температура воздуха еще не достаточно высокая, однако солнечные лучи уже согревают землю, и человек ощущает их как приятное тепло.
Упомянутое выше равенство между температурами воздуха и предметов в обоих случаях действительно только в домах с качественной теплоизоляцией.
Приведенные свойства можно отобразить следующим образом:
1. Пере дача тепла конвекцией: tv > tp.
2. Передача тепла: конвекционное тело — согревание воздуха — согревание человека.
3. Передача тепла излучением: tv < tp.
4. Излучающее устройство: согревание предметов и человека — согревание воздуха.
Для того чтобы сравнить эффективность конвекционного и лучистого отопления в типичном промышленном помещении, попробуем проанализировать требования к состоянию теплового комфорта человека и энергетические параметры обеих систем отопления.
Тепловой комфорт
Тепловой комфорт можно определить как приятные ощущения человека в отапливаемом пространстве.
На тепловые ощущения человека и его комфорт влияют несколько факторов, из которых самими важными являются:
— температура воздуха tv (°С);
— температура плоскостей, ограничивающих интерьер,— tu (°C);
— скорость перемещения воздуха в помещении — w (ms-1);
— тепловое сопротивление одежды — Re (m2.K.W-l);
— уровень активности человека — Q (W);
— относительная влажность среды — ф (%).
Температура воздуха в помещении обычно относится к первичным критериям оценки теплового состояния отапливаемого помещения. Этот критерий вместе со скоростью перемещения воздуха определяет конвекционную передачу теплового потока от человека к окружающему пространству.
В обычных отапливаемых домах при температуре 18-20° С допускается движение воздуха не более 0,1 м/с. Идеальное отопление должно было бы обеспечить такое вертикальное распределение воздуха в помещении, при котором температура на уровне высоты головы человека (приблизительно 1,7 м над полом) была бы примерно на 2° С ниже, чем на уровне 10 см над полом.
Значительное влияние на тепловой комфорт человека имеет температура ограничивающих плоскостей помещения, которая должна быть такой, чтобы разница температур стен и пола и температуры воздуха составляла не более 7° С, если человек отдыхает, и не более 10° С, если он работает.
Среднее арифметическое эффективной температуры стен и температуры воздуха в интерьере (ti) можно определить как внутреннюю температуру в помещении. Эта температура измеряется сферическим термометром в центре помещения на высоте 1 м от пола, что соответствует центру тяжести стоящего человека. Значение измерения обычно является нормативным значением для проектирования технологии отопления в помещении.
Если влажность воздуха в помещении варьируется в диапазоне 35-70%, она не влияет на ощущение теплового комфорта человека, так как наличие водяного пара в воздухе также воздействует и на интенсивность испарения влаги с тела человека.
Остальные факторы, влияющие на тепловой комфорт в помещении, можно определить как принадлежащие к более широкому набору микроклиматических условий.
К ним относятся:
— частицы пыли в воздухе;
— микроорганизмы или бактерии;
— газы, испарения и запахи разного типа;
— содержание ионов в воздухе.
Оценка потребления энергии
В прошлом оценка потребления энергии на отопление промышленных объектов в соответствующих технических стандартах не устанавливалась и даже не рекомендовалась. Однако предполагается, что в процессе согласования стандартов со стандартами стран ЕС критерии потребления тепла будут нормативно зафиксированы. Потребление энергии для отопления загородного дома оценивают на основе тепловой характеристики объекта qo.
Если действительно соотношение qo < = qo N, объекты удовлетворяют требованиям, в обратном случае они не соответствуют критериям.
Нормативная тепловая характеристика qoN для производственных промышленных объектов определяет объекты:
1) с очень легкой и легкой работой (табл. 4, строка А);
2) со средне тяжелой и тяжелой работой (табл. 4, строка Б).
Тепловая характеристика qoN для производственных промышленных объектов
При расчете потребления тепла и тепловой характеристики зданий исходят из: .
— тепловых потерь, данных стандартом для температуры воздуха внешней среды;
— характеристик смежных строений объекта.
— энергетическими требованиями;
— экономической эффективностью;
— экологической обстановкой.
Отопительные системы по источнику тепла разделяются на:
— центральные (котельная на твердом, жидком, газовом топливе);
— децентрализованные (прямообогревающие уст
ройства).
По дистрибьюции тепла отопительные системы делятся на:
— водяные (с горячей, теплой водой, низкотеп-лотные);
— паровые (среднего и низкого давления).
— тепловоздушные.
По способу передачи тепла отопительные системы бывают:
— конвекционными (отопительные элементы, тепловоздушные, проветривающие и климатизационные устройства);
—- лучистыми.
Лучистые системы, в свою очередь, разделяются на следующие группы:
— светлые излучатели;
— темные;
— супертемные (излучатели, излучающие панели).
Выбор отопительной системы в значительной мере зависит от следующих факторов:
— выбор источника тепла и типа топлива;
— способ дистрибьюции тепла;
— характер отапливаемого помещения;
— способ передачи тепла в помещении.
Исходя из вышеприведенных требований, решение по использованию того или иного типа отопительных систем следует принимать, опираясь на потребност пользователя, что гарантирует высокое эксплуатационное качество в отапливаемом помещении.
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что вопреки необходимости решать эти проблемы комплексно доминирующим остается способ передачи тепла от отапливающего элемента или панели в отапливаемое пространство помещения с использованием конвекционной или лучистой системы;
Различный физический принцип передачи тепла и вещества, в случае конвекционного и лучистого отопления, предполагает, что при расчете потребности в тепле для отопления необходимо учитывать все физические законы, которые характеризуют передачу тепла конвекцией и излучением.
Конвекция
При использовании систем конвекционного отопления температура стен (tu) ниже температуры воздуха (tv). tu тем ниже tv, чем хуже теплоизоляционные свойства строительных материалов, использовавшихся при возведении дома, а также, чем ниже внешняя температура (te).
Общие тепловые потери объекта (Qc) равняются сумме тепловых потерь конструкцией (Qp) и тепловых потерь, связанных с вентиляцией (Qv):
Qc = Qp +. Qv
Тепловые потери через стены определяются из основной тепловой потери (Qo) суммированием с коэффициентами по следующему соотношению:
QP = Qo.(l + pl +Р2),
где pi — коэффициент на компенсацию влияния холодных стен; р2 — коэффициент на ускорение нагрева.
Потребность в тепле для отопления с помощью центральной системы отопления выше на 5—15%, чем потребность в тепле при децентрализованном отоплении. Приведенная процентная разница представляет коррекцию на потери в системе доставки тепла.
Лучистая отопительная система
При лучистом отоплении температура воздуха (tv) * ниже температуры окружающих плоскостей (tu). При Я этом tv тем ниже tu, чем хуже теплоизоляционные И свойства строительных конструкций и чем ниже вне-Ш щняя температура (te).
Расчет потребности в тепле для определения тепловой мощности излучателей производится из системы трех линейных уравнений теплового равновесия помещения.
Электромагнитное излучение
Излучение — это передача электромагнитной энергии в виде поперечных волн. Источником энергии являются возбужденные частицы, появляющиеся при возвращении возбужденной частицы на основной энергетический уровень. Данное возвращение сопровождается эмиссией фотонов излучения.
Процесс перехода на уровни может отличаться, и его проявления могут быть различными. Если процесс перехода инициируется столкновениями молекул, которые характеризуют температуру тела, то излучение обозначается как тепловое. Излучение в таком случае может иметь как корпускулярный, так и волновой характер. Квантовые корпускулярные свойства характерны для кратковолнового излучения, а волновые — для длинноволновых излучений. Электромагнитные излучения различных видов похожи друг на друга, но отличаются длиной волны и действием.
Тепловое излучение определяется как та часть спектра, которая характеризируется волновой длиной от 10~7 м до 10~4 м. В этой области находится и диапазон света с длиной волны 3,9.10Г7 до 7,8.10~7 м. Большинство твердых и жидких веществ излучает на всех длинах волн от 0 и до бесконечности и имеет полный спектр излучения. Твердые вещества имеют непрерывный спектр излучения. Излучение зависит от вида вещества, из которого состоит тело, его температуры и поверхности.
Излучение тел с растущей температурой резко возрастает, при этом изменяется и спектр излучаемых волн. Вместе с ростом плотности потока излучения максимум спектральной плотности передвигается в область более коротких волн (приводимая зависимость известна как закон Вена). Таким образом повышается величина излучаемой энергии при коротких волнах. По этой причине при высоких температурах излучение доминирует над конвекцией и проводимостью.
При низких температурах наблюдается обратное явление. В самом излучении участвуют только тончайшие слои на поверхности тела. Тепло, распространяемое излучением, в отличие от тепла, распространяемого конвекцией и кондукциеи, по своим параметрам и тепловому действию приближается к свойствам природного солнечного излучения.
Солнечные лучи, попадающие на поверхность Земли, имеют спектральный диапазон от 260.10“9 до 3000.10-9 м. Это значит, что спектр содержит видимое ультрафиолетовое и невидимое инфракрасное излучение. Излучение инфракрасных излучателей может находиться как в видимой (светлые инфракрасные излучатели), так и в невидимой (инфракрасной) части спектра (темные и супертемные излучатели).
Таким образом, становится ясно, что различный физический принцип передачи тепла требует различных способов расчета и проектирования отопительной системы. Так же и воздействие отопительной системы на тепловой комфорт человека будет отличаться от энергетических требований.
Сравним температурные условия, образованные центральной паро- и тепловоздушной отопительными системами и лучистой системой отопления (рис. 1).
Рис. 1. Пример температурных условий в помещении при использовании различных систем отопления: а — при лучистом отоплении; б — при конвективном отоплении
При конвективном отоплении тепловая энергия поступает в помещение с помощью конвективных устройств и тепловоздушных обменников. Источником тепла является энергия пара, поставляемая с помощью трубопроводов от центрального источника — котельной.
В этом случае тепловой комфорт обеспечивается обогретым воздухом, поступающим от обменников и конвективных устройств: дело в том, что первичной теплоносительной средой является горячий пар. Следовательно, согретый таким образом воздух бывает достаточно теплым. Однако чем теплее воздух, тем он легче и быстрее перемещается вверх. Это приводит к тому, что объем помещения согревается воздухом сверху вниз, причем под крышей температура наиболее высока. К тому же крыша с различными технологическими отверстиями и форточками считается помещением с плохими теплоизоляционными свойствами.
Распределение температур при лучистом и тепло-воздушном отоплении в зависимости от высоты представлены на рисунке 2.
Вторым отрицательным результатом бывает так называемый каминный эффект, который увеличивает обмен воздуха в помещении. Мощность центрального отопления должна покрывать тепловые потери всей цепочки производства, дистрибыоции и обмена тепла (рис. 3).
Если потребление газа для производства тепловой энергии в котлах — 100%, потери в самом источнике тепла составляют 15% в виде воды и 20% в виде пара от всего количества энергии.
Лучистая отопительная система состоит из тепловых устройств — излучателей, которые помещаются над отопливаемой площадью. После включения и согрева на номинальную температуру излучатели начинают излучать электромагнитные волны, которые с небольшими потерями проходят через воздух, попадают на пол и преобразуются в тепло. Это значит, что воздух обогревается вторично, но уже от пола, который таким образом становится самым теплым местом в объекте. Излучатели с выгодой можно размещать только над местом, где находятся люди, чтобы обеспечивать им необходимые температурные условия, то есть образовывать температурные зоны без отделения их перегородками. Образование необходимых температурных режимов в этих зонах способствует снижению потребления газа от 70 до 30%.
Температурный градиент в зависимости от высоты при лучистом отоплении приближается к требованиям идеального отопления. В этом случае температура воздуха на уровне головы человека ниже, чем при тепловоздушном отоплении.
Так как площадь конструкции и коэффициент прохождения тепла для обоих случаев одинаковы, соотношение тепловой Мощности будет равняться соотношению t. В процентном отношении тепловая мощность лучистого отопления для покрытия тепловых потерь конструкции будет составлять только 74% от значения для тепЛовоздушной системы. Таким образом, комплексное сравнение гораздо сложнее, но оно соответствует среднему отношению тепловых мощностей, которые на практике составляют 80%.
Более низкая температура воздуха позволяет передавать биологическое тепло, которое образуется во время работы, и тем самым предотвращает перегрев организма.
Этот феномен лучистого отопления наступает в результате физической передачи тепла, где лучистый поток образует добавку тепла к температуре воздуха, ощущаемого человеком.
Данный расчет в таком виде является только показательным и предназначен для понимания физического принципа. Рассчитать с его помощью тепловую мощность невозможно, так как он не учитывает остальных условий, которые для этого расчета необходимы.
При отоплении излучателями в качестве прямо-обогревающих устройств не учитываются потери, связанные с дистрибьюцией тепла. Таким образом, использование газа представляется более целесообразным.
Общая энергетическая экономия топлива при лучистом отоплении может достигать 70% относительно сравнительной паро- и тепловоздушной отопительных систем.
Использование лучистых отопительных систем как прогрессивных и эффективных систем отопления предоставляет определеннее выгоды с точки зрения образования рабочей среды.
1. Централизованное использование природного газа обеспечивает легкость его применения и более удобное регулирование температур в помещении.
2. Температура воздуха на уровне пола на 2~3° С выше, чем на высоте 1,5 м над полом.
3. Более равномерным способом распределяется температура по всей высоте отапливаемого объекта между газовым излучателем и полом.
4. При использовании лучистого отопления нет движения пыли.
5. Лучистое отопление является экологически безопасным.
6. Не требует применения воды.
7. Лучистая система, по сравнению с тепловоздуш-ной, работает практически бесшумно.
8. Лучистая отопительная система не может замерзнуть.
9. Обогрев помещения достигается за 10-25 минут.
10. Легкий монтаж и ремонт.
Недостаток лучистого отопления: лучистую отопительную систему нельзя использовать в помещениях, где существует опасность возникновения пожара.
Газовые инфракрасные излучатели
В настоящее время для отопления крупных площадей используется три вида газовых излучателей:
1. Светлые газовые излучатели.
2. Темные газовые излучатели.
3. Сверхтемные (компактные) газовые излучатели.
Газовые излучатели сжигают газ для обогрева специальной излучающей поверхности, которая согревается прямым контактом со сжигаемыми газами.
Светлые газовые излучатели
Источник излучения — пористая керамическая пластина, которая нагревается беспламенным поверхностным сжиганием газа до температуры 800-1000° С. При этой температуре образуется электромагнитное излучение с длиной волны от 2Д.10“6 до 3,0.10“6 м. Волна этой длины распространяется практически прямолиней-но и почти без потерь проходит через воздух.
Лучистая эффективность светлых газовых излучателей составляет от 50 до 75%.
Для повышения эффективности излучателей некоторые изготовители размещают перед лучистой керамической поверхностью дефлексную решетку, которая возвращает часть эмитированных энергетических частиц назад на активную поверхность, что приводит к возбуждению частиц атомов и к последующему увеличению эмиссии фотонов излучения.
У светлых излучателей доминирует корпускулярное излучение, которое определяет их свойства. Угол ядра излучения обычно равняется 60°, и область излучения на поверхности относительно четко ограничена (рис. 4). Иногда излучатели этого типа, благодаря этому свойству, обозначаются как «теплометы». Они достигают высокой интенсивности излучения.
Так как корпускулярный характер и высокая интенсивность способствуют проникновению излучения под поверхность предметов, изготовленных из непроводящих материалов, они довольно быстро нагреваются. Это присходит потому, что 1 дм излучающей площади способен передать мощность приблизительно до 1200 Вт.
Сами излучатели имеют небольшие размеры. Горелки обычно работают по принципу атмосферных инжекторных горелок, в которых необходимый для сжигания воздух смешивают с газом с помощью инжекторов. Смешанный с газом воздух поступает через капиллярные отверстия в керамической пластине, зажигается и горит на ее поверхности. Продукты сжигания поступают в помещение.
Раньше эти излучатели использовались в основном для технологического обогрева — сушки бумаги на целлюлозных комбинатах, для размораживания вагонов и т. д. В дальнейшем их стали использовать для обогрева и отопления промышленных объектов.
Область использования светлых излучателей
Хотя все излучатели могут использоваться для отопления промышленных помещений, область их применения четко ограничена: они не пригодны для отопления тех помещений, где постоянно находится человек.
Высокая интенсивность и относительно острый угол излучения приводят при отоплении по всей площади к неравномерному распределению плотности излучения на полу, очень часто наблюдается возникновение довольно больших необлучаемых площадей, которые в сумме могут составлять значительный процент площади помещения.
Это приводит к тому, что в полу не аккумулируется достаточного количества энергии для равномерного обогрева воздуха в помещении, что в результате приводит к большой разнице между ощущаемой температурой и температурой воздуха.
Таким образом, в отапливаемом помещении человек не чувствует себя комфортно, так как в зоне высокой плотности излучения может наступать нагрев темени головы до температуры больше чем 25° С, что является максимально допустимой границей гигиенической нормы, а вне этой зоны, где уже не чувствуется влияние излучения, человек ощущает некомфортно низкую температуру воздуха. К сожалению, устроенное таким образом отопление встречается довольно часто.
Неправильно спроектированная и реализованная система часто приводит в будущем к отказу от любого лучистого отопления. Но и теоретически правильное проектирование отопления светлыми излучателями по всей площади, хотя и дороже Чем иной проект, не гарантирует теплового комфорта. Основанием является длина волны и корпускулярный характер излучателя.
Области, в которых светлый излучатель удовлетворяет своему функциональному назначению и самым эффективным способам обогрева, мы приводим ниже:
— локальное отопление рабочих мест в пространстве, которое не отапливается;
— различные виды складов, погрузочных рамп и других пространств, где невозможно получить повышенную температуру воздуха или из-за его чрезмерного обмена или из-за низких теплоизоляционных свойств объектов;
— обогрев частей внешнего пространства, например трибун стадионов, рынков и т. д.
Все эти пространства с точки зрения теплового комфорта При этом должны соблюдаться следующие условия: человек в отапливаемом светлыми излучателями пространстве находится только ограниченное время, одежда на нем должна быть теплой, чтобы защищать его от холодного воздуха и действия корпускулярного излучения.
В настоящее время в связи с использованием конструктивных материалов с лучшими теплоизоляционными свойствами светлые излучатели теряют свою привлекательность с точки зрения эксплуатационных расходов на отопление. Причиной этого является техническая невозможность изолирования места сжигания, то есть тяжело обеспечить подачу воздуха для сжигания и отвод продуктов сжигания во внешнюю среду, в связи с чем повышается коэффициент обмена воздуха в про-странстве(на 1 кВт мощности необходимо иметь 30 м2 проветриваемого воздуха сверх того, который необходим для обеспечения работы людей и технологии), что означает потерю значительной части уже произведенного тепла.
Темные газовые излучатели
Приведенные недостатки светлых излучающих систем были устранены в новых типах излучателей, предназначенных для отопления всей площади, — темных газовых излучателей. В данном излучателе смесь воздуха и газа сжигается в металлической закрытой трубе, которая обогревается самим пламенем и продуктами сгорания.
Увеличение размеров излучателя ведет к уменьшению его поверхностной температуры до 350-450° С. Излучатель имитирует излучение, максимум которого находится в области 4,1.10~6-8,1.10~6 м. Темный излучатель характеризуется более низкой лучистой эффективностью, которая колеблется в диапазоне 45-60%. Эта эффективность достигается с помощью так называемого рефлектора, который образует зеркальную плоскость, отражающую излучения в необходимом направлении. Волна распространяется не прямолинейно, а изгибается, поэтому требуется рефлектор специальной формы.
Кроме центрального излучения, которое распространяется примерно под углом 90°, имеется и боковое излучение с углом 120° (рис. 5).
Темный газовый инфраизлучатель пригоден для отапливания объектов по всей площади.
Правильно подобранные системы отопления с использованием темных газовых излучателей более выгодны из-за равномерной интенсивности излучения, попадающего на пол.
Конструкция современных типов темных излучателей направлена на максимальную экономию первичного носителя, например природного газа, которая достигается следующими способами:
1. Использованием качественных материалов и технологий. Решающее влияние на лучистые свойства излучателя имеют материалы, применяемые при их изготовлении. У излучающих труб решающим фактором является их срок службы. Сегодня существуют технологии производства труб, которые гарантируют неизменность их свойств и длительности срока использования, равняющегося сроку использования всего устройства.
2. Использованием патентов и изобретений. Использование горелки внутри излучателя уменьшает влияние температурных шоков на материал излучающей
трубы, повышает эффективность передачи тепла и качество сгорания.
3. Качественным управлением на базе микропроцессорной техники, которая способна удовлетворить требования заказчика и сделать более эффективной эксплуатацию лучистого отопления. Позволяет управлять иными субсистемами, связанными с общими микроклиматическими условиями в отапливаемом пространстве.
4. Исключительными техническими решениями, которые гарантируют долговременную эксплуатацию без неисправностей с гарантированными параметрами.
Следует сказать, что темный газовый излучатель с точки зрения вывода продуктов сгорания гораздо предпочтительнее. При условии выполнения требований гигиенических стандартов и при своевременном проветривании можно выводить продукты сгорания в поме-щение> осуществлять вывод продуктов сгорания во внешнюю среду, комбинированную подачу воздуха для сжигания и вывода продуктов сгорания или же центральный вывод продуктов сгорания. Конкретные решения проекта всегда соответствуют индивидуальным требованиям каждого конкретного дома.
Сверхтемный излучатель — специальный тип темного излучателя — имеет пониженную рабочую температуру до 150-200° С. Излучатель генерирует излучение с длиной волны более чем 14.10-6 м, которое уже невозможно рефлектором направить в когерентные пучки, и сам излучатель облучает всю поверхность пространства. При этом его лучистая мощность колеблется на уровне 40%. Поэтому сверхтемный излучатель имеет массивный изолированный рефлектор (рис. 24), задачей которого является защита его от больших конвективных потерь.
Лучистая энергия в значительной мере поглощается воздухом и водяным паром, что приводит к првышению температуры воздуха прямым излучением. Поэтому эти низкотемпературные излучатели используются в хорошо изолированных помещениях с малым обменом воздуха. Увеличение энергии за счет излучения у этих излучателей колеблется от 1 до 2° С.
Излучатели имеют обычно одну горелку и комбинированную подачу воздуха — отвод продуктов сгорания с помощью дымохода. В итоге можно констатировать, что каждый тип пространства требует особого отношения, и только после его анализа можно выбрать оптимальный способ отопления. Каждое шаблонное решение представляет собой угрозу неполучения ожидаемых результатов и может привести к отказу от лучистого отопления, как такового, без принятия во внимание его эффективности.
Одной только заменой паро- и тепловоздушной систем газовыми излучателями можно получить значительное увеличение эффективности отопления, где поддержание теплового комфорта является лишь частью более широкого понятия — микроклиматических условий, которые включают качество воздуха, безопасность, а также выполнение всех остальных требований к пространству.
В последнее время в специальной литературе встречаются статьи, описывающие перспективы недалекого j будущего. Предполагается, что широкое распространение получат бытовые потребители энергии с искусственным интеллектом.
Со многими из них мы встречаемся уже сегодня, например с автоматической стиральной машиной, которая сама просчитывает количество стираемого белья ш после этого программирует потребление воды, количество стирального порошка и, в случае необходимости, изменяет программу стирки.
В качестве другого примера можно привести те компоненты автомобиля, которые самостоятельно ограничивают количество электрических соединении к одной шине коммуникации, чем уменьшают неполезный вес автомобиля до 70%.
Этих примеров достаточно для того чтобы определить, по каким направлениям будут развиваться технологии.
Приведенные выше примеры показывают, что дальнейшие резервы экономии тепловой энергии можно получить, только если учитываются все элементы, которые участвуют в отоплении и создании климатических условий и безопасности отапливаемого помещения.
Отопительные системы — Лучистое отопление
Источник: gardenweb.ru