|
Самое трудное не разработка и внедрения проекта, а процесс убеждения, что он достоин этого. (Из опыта работы).
III. Информация, полезная при проектировании систем лучистого отопления Вопросы, затрагиваемые в этой главе: при каких параметрах зданий и при каких условиях выгодно лучистое отопление; предварительная оценка теплопотерь; уравнения расчёта; как раcсчитать теплопотери объекта и мощность инфраизлучателей; теплопотери инфильтрацией (пример расчёта); примеры теплотехнических расчётов; коэффициенты теплопотерь элементов зданий; часто встречающиеся ошибки проектантов.
Продолжая затронутую в № 1-5 журнала тему, моделируя реальную последовательность действий и отвечая при этом на важные вопросы, что позволяет избежать ошибок, в следующих публикациях мы шаг за шагом опишем путь, который необходимо пройти от принятия решения по применению излучателей до их успешной, долгосрочной и экономически выгодной эксплуатации. Последовательность шагов от принятия решения об необходимости отопления до покупки инфракрасных обогревателей и до их успешной эксплуатации следующая: осмотр помещений; выполнение теплотехнических расчётов; подбор подходящего оборудования, производителя и поставщика (сравнение оборудования по техническим данным, по параметрам и качеству комплектующих, по возможностям систем управления микроклиматом, по условиям поставки, по цене, по гарантийным обязательствам, по опыту работы поставщика на конкретном рынке и прочее); разработка, оформление и утверждение проектной документации; выполнение общестроительных работ; покупка оборудования; выполнение монтажа, пусконаладки; соблюдение требований по эксплуатации; выполнения мероприятий по энергосбережению и энергоэфективности.
Порядок проведения работ может несколько отличаться, но для получения максимального эффекта от внедрения лучистого отопления желательно соблюдать приведенные рекомендации. III.1. Определение мощности лучистой отопительной системы III.1.1. Введение в расчёты При обсуждении решения о использовании ИК-излучателей, а также в расчётах необходимо учитывать, что: ❏ инфракрасные излучатели особенно экономно отапливают большие помещения, если их высота более 6 м, а ширина (меньший размер, ограничивающий площадь помещения) равен или больше, чем трехкратная высота. При этом необходимо заметить, что независимо от размеров отопление промышленных и других помещений большого объёма газовыми инфракрасными излучателями выгоднее, чем другим оборудованием. Исключением являются случаи низких (ниже 6 м), хорошо изолированных помещений, когда децентрализованное воздушное отопление способно конкурировать лучистому отоплению. В особенности, если применяется газовое тепловоздушное оборудование; ❏ излучателями возможно выборочно отапливать зоны; Примечание. B условиях Украины эффективное зональное отопление с соблюдением гигиенических норм возможно, если площадь зоны составляет не менее 40% общей площади помещения, а в условиях России и того более. ❏ в полной мере преимущества излучателей проявляются, когда коэффициент теплопроводности конструкции зданий: К ≥ 1,16 Вт/(м 2 . °C). Данное утверждение не означает, что при К < 1,16 Вт/(м 2 . °C) лучистое отопление неэффективно, но подчёркивает, что при этих условиях в качестве альтернативного отопления возможно рассматривать децентрализованное тепловоздушное или комбинированное лучисто-конвективное отопление (например, супертемные излучатели); ❏ особенно экономичным бывает лучистый способ отопления при ограждающих поверхностях здания с коэффициентом теплопотерь: от К = 1,16 Вт/(м 2 . °C) до К = 2,3 Вт/(м 2 . °C); ❏ в случае принудительного воздухообмена в промышленных зданиях с коэффициентом оздухообмена от h -1 > 3, а в отдельных случаях и при меньших значениях, не нарушая гигиенических требований (ГОСТ 12.1.005-88) нельзя обеспечить отопление только инфракрасными обогревателями.
В таком случае лучше всего применять комбинированные конвективно-лучевые системы отопления, подогревая приточный воздух до температуры воздуха в рабочей зоне.
III.1.2. Предварительная оценка теплопотерь одноэтажного объекта Для упрощенной оценки теплопотерь объекта и необходимой компенсирующей эти потери общей инсталируемой мощности лучистой системы отопления в условиях Украины возможно воспользоваться табл. 1 . 
Примечание 1. Данные в таблице исходят из значения внешней температуры -20 °С и внутренней температуры +16 °С. В случае других значений температур необходимо сделать коррекцию согласно формулам расчёта теплопотерь. Примечание 2. Tаблица служит для целей предварительной оценки и не может заменять теплотехнический расчёт! Общие теплопотери и общая необходимая устанавливаемая мощность для помещения определяется умножением объёма помещения на расходуемую тепловую мощность для обогрева 1 м 3 помещения (Вт/м 3 ). III.1.3. Уравнения расчёта теплопотерь объекта При отоплении помещений больших объёмов по всей площади предполагается, что средняя температура стен и потолка приблизительно равняется температуре воздуха внутри помещения и что внутренний воздух в рабочей зоне обогревается прежде всего за счёт конвективной передачи тепла от пола, стен и предметов, находящихся под облучением. Интенсивность облучения площади пола q , необходимая для достижения результирующей температуры t k , вместе с двумя другими неизвестными величинами: t в — температурой внутреннего воздуха и t п — температурой пола под излучением, рассчитывается из системы трех линейных уравнений (уравнение теплового баланса площадей под облучением, уравнением теплового баланса внутреннего воздуха и уравнением теплового комфорта человека). Конечный вид этих уравнений представлен на рис. 1 
, где Ë п — теплопроводимость пола (при условии отсутствия подвальных помещений под полом: Ë с = 1/ Ó ( d / ë ), где ë — теплопроводимость материалов пола, d — толщина отдельных слоев пола); V — объём воздухообмена; T п — поверxностная температура пола (на облучаемой поверхности); t в — температура внутреннего воздуха; t z п — температура на внешней стороне пола (температура грунта под полом); t е — внешняя температура для данного региона согласно СНИП (или ДБН); t k — требуемая температура в объекте; q . ϕ t / ϕ c — интенсивность облучения человеческого тела (т.е тепловая энергия, которая передается прямо от излучателя человеческому телу. Величины ϕ t и ϕ c получаем из специальных диаграмм). Упрощённый практический расчёт тепловой мощности излучателей с помощью решения трёх линейных уравнений действителен, если выполняются следующие предпосылки: ❏ коэффициент теплопотерь необлучаемых стен и потолка: k < 2,3 Вт . м -2 . К -1 ; ❏ инфраизлучатели подвешены горизонтально (под потолком); ❏ суммарное время отопления больше 4 часов в сутки; Если не выполнены вышеперечисленные предпосылки, необходимо увеличить плотность потока q (Вт . м -2 ) за счёт добавок мощности р 1 , р 2 , р 3 , р 4 . Добавки вводятся для а) компенсации влияния холодных стен: р 1 = 10% для 2,3 < k < 3,5 (Вт . м -2 . К -1 ); р 1 = 20% для k > 3,5 (Вт . м -2 . К -1 ); б) компенсации подвески на стене с наклоном излучателя по отношению к полу: р 2 = 10%; в) на ускорение растопки (в случае непрерывного отопления эта добавка не используется): р 3 = 20% для больших объёмов; р 4 = 40% для локального отопления. Для понимания того, как правильно обустроить отопление необходимо описать и другие факторы, влияющие на устанавливаемую мощность излучателей в помещении (например, наиболее важные из этих факторов абсорбционные потери и потери на рассеивание). III.1.4. Теплопотери инфильтрацией В пылу конкурентной борьбы часто применяются лишенные всякого физического обоснования изречения о том, что при лучистом отоплении по сравнению с тепловоздушным не возникает разницы в температуре воздуха в помещениях и, как следствие, разницы в теплопотерях обьекта. Для того, чтобы ввести в заблуждение заказчика, часто сознательно занижается кратность воздухообмена инфильтрацией , которая позволяет скрывать повышенные теплопотери, связанные с процессом естественного воздухообмена. Даже в проектах по использованию однотипных устройств (лучистых обогревателей) в пылу конкурентной борьбы на фоне незнания владельцами объектов истинного состояния появляются данные о кратности воздухообмена инфильтрацией, далекие от реальных значений (например кратности, pавные 0,1 или 0,2). Расплатой за это бывают отклонение от заданных температур и, что немаловажно, завышенное потребление газа. Зависимость температуры воздуха у лучистых обогрева телей и у конвективных систем отопления от внешней температуры показанa на рис. 2 . 
III.1.5. Фактические данные по воздухообмену инфильтрацией При определении исход ных условий часто для расчёта теплопотерь используется кратность воздухообмена h = 0,1...0,2 объёма/час, что для больших помещений слишком низкое значение, расходящееся к тому же, во многих случаях с требованиями по гигиене. Данные по натуральному воздухообмену можно найти в литературе. MOURET и NESSI [2] во время отопительного сезона провели большое количество измерений воздухообмена инфильтрацией и получили значения от 0,2 до 2,3 объёма/час. DICK [3] эксперементально изучал натуральный воздухообмен и получил значения от 0,92 до 4,6 объёма/час. LABOHM [4] в бытовых помещениях с закрытыми окнами и дверями получил значение кратности воздухообмена 0,24 объёма/час, при открытых дверях 4,6 объёма/час. Переносом данных измерений на условия помещений большого объёма, которые практически всегда в худшем состоянии, чем бытовые помещения и канцелярии, можно с достаточной степенью точности сказать, что натуральный воздухообмен на практике принимает значения от 0,5 до 1,0 объёма/час. В случае необходимости можно расчитать его с большой точностью по различным методикам, одна из которых приводится ниже. К сожалению, до сих пор в литературе я не встречал данные по натуральному воздухообмену в промышленных помещениях. Однако, множество теоретических расчётов, проведенных мною, позволяют относиться к вышеприведенным значениям коэффициентов очень серьезно. При сравнении лучистой отопительной системы с тепловоздушной часто излучение представляется как излучение горизонтальной пластины. Это справедливо только для лучистых панелей, которые представляют собой лучистую систему большой площади и низкой температуры. В то же время, для инфраизлучателей как светлых, так и темных, данное предполо жение неверно. Кроме того, конструкция излучателей отличается от конструкции панелей, что при правильном проектировании позволяет облучать только необходимые для создания микроклимата поверхности — пол и стены высотой до 2 м. Это ограничивает потери тепла через конструкции стен. При естественном воздухообмене инфильтрацией объёмный поток воздуха V vp определяется из соотношения: V vp = Ó ( I LV . L ) . B . M , где Ó ( I LV . L ) — сумма воздухопропускных способностей окон, внешних дверей и ворот (м 3 . s -1 . Pa -0,67 ); I LV — коэффициент воздухопропускной способности (м 3 . s -1 . м -1 . Pa -0,67 ); L — длина щелей, открывающихся частей окон и внешних дверей, а также щелей между стеклами и рамами; В — число, характеризующее здание (Pa -0,67 ); М — число характеризующее помещение. Коэффициенты I, B, M приведены в табл. 2, 3, 4, соответственно. 
III.1.4.1. Пример расчёта воздухообмена инфильтрацией в помещении Расчитаем естественный воздухообмен в помещении имееющем следующие параметры: ❏ высота 8 м, длина 50 м, ширина 18 м; ❏ остекление окон 200 м 2 (окна одинарные, металлические из прокатного уголка, высота окон 2 м, размеры стекол: 100 см (высота) на 50 см (ширина); ❏ ворота: 4 на 6 м металлические (без порога не утепленные) — 2 шт. Здание отдельно стоящее на местности с сильными порывистыми ветрами, ничем не защищено. Расчёт Объем помещения равняется 7200 м 3 . V vp = Ó ( I LV . L ) . B . M ; V vp = ((0,9 . 10 -4 . 1200) + + 3,6 . 10 -4 . (4 + 6 + 4 + + 6) . 2)) . 12 . 0,7 = (1224) . 10 -4 . 12 . 0,7 = 1,03 (м 3 /с). Примечание. B скобках приводится общая длина щелей между стеклами и рамами окон (общая площадь остекления окон 200 м 2 , площадь одного окна: 100 см . 50 см = 0,5 м 2 , т.е. таких окон 400 шт., при этом длина соприкосновения стекла и рамы у одного окна: (50 + 100 +50 + 100) см = 3 м), а также учтены идентичные данные для дверей и ворот. Инфильтрация воздуха за час: V = 1,03 м 3 /с . 3600 с = = 3708 м 3 . Коэффициент воздухообмена инфильтрацией для данного здания: h -1 = 3708 м 3 / 7200 м 3 = = 0,52. III.1.5. Пример теплотехнических расчётов Сегодня для теплотехнических расчётов лучше всего применять специальные компьютерные программы. В большинстве случаев фирмы — изготовители и поставщики предлагают свои программы для расчёта теплопотерь объекта и для определения устанавливаемой мощности обогревателей. Предварительную оценку теплопотерь обьекта при отоплении ИК-обогревателями можно делать с помощью приведенной выше табл. 1 . Если нет таблицы и программы, то можно использовать следующий метод расчёта. Для наглядности выберем гипотетический объект и расчитаем устанавливаемую мощность, а также климатические параметры внутри помещения. Основные параметры объекта: ❏ ширина цеха — 18м, длина — 50 м, высота — 8 м (площадь пола: S = 18 . 50 = 900 м 2 , объём: 900 . 8 = 7200 м 3 ); ❏ внешняя температура согласно СНИП: -20 °С, эффективная температура (температура тепловосприятия): +18 °С; ❏ стены из бетона толщиной 0,25 м, крыша прямая из бетонного перекрытия толщиной 0,1 м, пол бетонный толщиной 0,5 м; ❏ площадь одинарных окон 200 м 2 ; ❏ ворота размером 4 на 6 м, металлические, неутепленные, без порога в количестве 2шт; ❏ фонари отсутствуют. Коэффициенты теплопотерь расчитываются, исходя из известной формулы: К = 1/(1/ á i + Ó d n / ë n + 1/ á e ), где Ó d n / ë n — тепловое сопротивление стены (м -2 . К . Вт -1 ); d n — толщина ограничивающей плоскости (м); ë n — удельная теплопроводность материалов отдельных слоев ограничивающей плоскости (Вт . м -1 . К -1 ); á i — коэффициент теплопередачи с внутренней стороны стены (= 8 Вт . м -2 . К -1 ); á e — коэффициент теплопередачи с внешней стороны стены (= 23 Вт . м -2 . К -1 ). Для упрощения процедуры расчёта воспользуемся таблицей коэффициентов теплопотерь элементов зданий ( табл. 5 ). 
Подставив соответствующие значения в формулы и оформив промежуточные результаты в виде таблицы получим информацию, сведенную в табл. 6. 
Из таблицы видно, что общие теплопотери равняются 505935 Вт. Теплопотери рассматриваемого объекта в пересчёте на 1 °С: = 55935/38 = 13,31 (кВт/°С). Для получения нужной температуры теплоощущения необходимо компенсировать эти теплопотери установленной мощностью обогревателей. Для расчёта необходима инфоpмация о лучистом КПД обогревателей, абсорбционных потерях и потерях на рассевание. Например, в ТУ обогревателя приводится лучистый КПД излучателя — 60%. Абсорбционные потери (здание средней высоты, относительно чистый воздух) оценим как равняющиеся 4%. Потери на рассеивание — 15% (здание средней высоты, пол тёмный бетонный, площадь плотно укомплектованна станками). Полезно используемая часть лучевой энергии (вклад излучения в отопление) равняется: 1 . 0,60 . (1 - 0,04) . (1 - 0,15) = 0,49 (т.е. 49%). Поскольку еще неизвестна температура воздуха ( t в ) при заданной требуемой температуре теплоощущения, то для определения теплопотерь и тепловой мощности излучателей используем итерационный метод таким образом, что в нулевом приближении принимаем значение температуры, например, как равное t = 12 °С (правильность выбора впоследствии необходимо проверить и в случае необходимости подкорректировать). В таком случае с точки зрения теплопотерь объекта значение разницы температур составляет: Ä t = 12 °С - (-20 °С) = 32 °С. Необходимая установленная мощность будет равняться: 13,31 (кВт/°С) . 32 (°С) = 426 кВт. Удельная потребность тепла при этом составит: 426 кВт/(900 + 272) м 2 = 363 Вт/м 2 . (900 м 2 — площадь пола, 272 м 2 = (50 + 50 + 18 + 18) . 2 — это площадь стен рабочей зоны под облучением). В этой удельной потребности тепла лучистое тепло составляет (см. выше) 49%, т.е. 0,49 . 363 = 178 Вт/м 2 . Температура теплоощущения согласно вышеприведенной формуле равняется: t эф = t в + 0,072 . I = 12 + 0,072 . 178 = 24,8 °С. Значение полученной температуры значительно выше требуемого значения +18 °С, поэтому температуру воздуха примем несколько ниже. Новое значение температуры воздуха примем равняющимся +7 °С, тогда значение разницы температур составит Ä t = 27 °С, а теплопотери: 27 °С . 13,31 кВт/°С = 359 кВт. Удельная тепловая нагрузка составляет 306 Вт/м 2 , а доля лучистой составляющей энергии (49%) — 150 Вт/м 2 . Температура теплоощущения в данном случае равняется: 7 + 0,072 . 150 = 17,8 °С. Полученное значение температуры удовлетворяет заданным требованиям. Полная потребность тепла согласно расчётам будет составлять 359 кВт. Необходимо учитывать, что излучаемое тепло распространяется не во всех направлениях, а направляется в рабочую зону. Направленность передачи тепла в рабочую зону позволяет уменьшить общую рассчитанную мощность обогревателей в 1,5 раза. (Отражатели излучателей позволяет направлять энергию в заданном направлении, концентрируя её). Разделив полученную мощность на 1,5, мы получим необходимую инсталированную мощность лучистых обогревателей (239 кВт). Учитывая то, что коэффициент теплопотерь К > 3,5, необходимо этот результат умножить на 1,2 (добавить 20% мощности согласно приведeнным выше правилам). Реальная необходимая устанавливаемая мощность для рассматриваемого здания будет равняться 287 кВт. Примечание 1. Если бы высота помещения была больше и излучатели устанавливались выше чем 8 м, то мы бы добавляли 2% дополнительной мощности на каждый метр высоты. Например, при высоте подвески 10 м мы бы добавили 4% мощности. Такую же добавку необходимо делать также в случае средне или сильно запыленных помещений, но уже в том случае, если высота подвески выше 5 м. Примечание 2. Светлыми излучателями лучше не пользоваться в запылённых помещениях. При использовании тёмных лучистых обогревателей в сильно запыленных помещениях необходимо периодически очищать отражатели во избежание ухудшения параметров, а также подавать воздух для сгорания из вне пределов помещения, чтобы не допустить возникновения нагара внутри труб. ■ Продолжение.... Литература Johan Becker . Spotreba energie salaveho vytapenie se svetlymi ziaricmi // Topenarstvi instalace. — 2005. — № 5. Mouret, J-Nessi. A Percherches experimentales sur les taux de renouvellement naturel de l’air // Industries Thermiques. — 1956. — Nr. 10. — S. 607. Dick J.B. The fundamental of Natural Ventilation of Hauses // Journal of the Inst. of heat a. Vent. Eng. — 1950. — S. 123/34. LABOHM, G. Ein Beitrag yum Problem der Messung der Luftung von Wohn-, Arbeits- und Aufenthaltsrau-men Dissertation. Stutgart, 1963. — Nr. 1381. .
Автор Владимир Молька, инженер, коммерческий директор фирмы Adrian, Словакия, лауреат Всеукраинского конкурса «Энергоэффективность 2005» Cтатья написана в соавторстве с Золотько Е.В., к.т.н., доцентом кафедры «Безопасность жизнедеятельности» Днепропетровского НУ |
