Самое трудное не разработка и внедрения проекта, а процесс убеждения, что он достоин этого. (Из опыта работы).

III.2. Компенсация влияния факторов среды

III.2. 1. Абсорбционные потери

Тепловое излучение не нагревает воздух, а проникая сквозь него, передает тепло непосредственно предметам и человеку. Трехатомные газы (например, СО 2 , Н 2 0 и т.д.), а также пыль и аэрозоли поглощают часть излучения. Поглощение в первую очередь зависит от расстояния обогреваемого объекта до излучателя, от состава и степени запыленности воздуха, а также от длины волны излучения. Поглощение слоем воздуха определяет потери на абсорбцию. Значение величин абсорбционных потерь для различных помещений, зависят от характера производства и практически колеблются в пределах 3-6%.

III.2.2. Потери на рассеивание

Излучение от нагретого тела подобно свету распространяется прямолинейно. Можно отметить следующее, если с ограничивающих плоскостей конструкции здания видно излучающее тело (у ГИИ — это керамические пластины, а у ИТГО — излучающие трубы), очевидно, что определенная часть излучения попадет на эти плоскости.

Менее очевидна доля вторичного (рассеянного) излучения, попадающего на ограничивающие поверхности.

Часть излучения отражается от тел на которые попадает.

Отраженные лучи снова попадают на некоторое тело, откуда их определённая часть снова отразится. Процесс напоминает затухающую систему.

Наиболее полезная часть излучаемой энергии — тепло, поглощенное полом. Это тепло и есть причиной характерного теплого пола. Кроме этого, значительный вклад имеет также тепло, поглощённое окружающими предметами и тепловая энергия попадающая непосредственно на людей. Потери на рассеивание, в первую очередь — это доля излучения, попадающего на ограничивающие конструкции здания, выше рабочей зоны.

Величина этой доли зависит, в основном, от расположения излучателей, угла его наклона по отношению к полу, конструкции отражателя лучистого обогревателя, геометрии объекта и отражающих свойств среды.

Излучение, попадающее на ограничивающие поверхности выше рабочей зоны, с точки зрения лучистой составляющей отопления считается потерями, но это не так с точки зрения отопления вообще. Потери на рассеивание тем больше, чем меньше коэффициент поглощения лучей средой. Если, например, пол масляный или бетонный, а предметы тёмного цвета, то коэффициент поглощения относительно высокий, а потери, связанные с отражением, относительно малы и наоборот, если пол покрыт металлическими решетками (пластинами и т.д.) или покрашен светлыми красками его отражающие свойства увеличиваются, а поглощение лучей уменьшается.

При большой относительной высоте помещения (высота здания больше 1/3 ширины в одном из направлений), потери на рассеивание увеличиваются.

На практике потери на рассеивание составляют 10 — 20%. В крайних случаях возможно отклонение на несколько процентов. В больших по площади и низких помещениях потери на рассеивание могут снижаться до 10%, и, наоборот , для высоких и узких помещений — повышаться до 20%.

Автору неизвестна методика точного определения потерь на рассевание. Поэтому он вынужден ограничиться вышеприведенным диапазоном значений и общими принципами оценки.

В любом случае потери можно определить с достаточной степенью точности, которая будет находиться в пределах погрешности расчётов.

III. 3. Решение нетипичных задач

III.3.1. Пример расчёта локального отопления («тёплый остров»)

Несмотря на то, что в климатических условиях Украины без нарушения требований (ГОСТ 12.1.005-88) невозможно создать положительные температуры на отдельных рабочих местах с 8-часовым пребыванием здесь персонала ( так называемое «локальное отопление»), иногда приходится решать задачу обеспечения равномерного обогрева отдельных рабочих мест. Такая задача требует тщательной и всесторонней оценки места и технических условий для применения локального отопления. Некоторые возникающие при этом проблемы:

• ❏ интенсивность излучения не может быть рассчитана традиционным способом (это годится только в качестве грубой оценки);
• ❏ интенсивность облучения распределяется по площади неравномерно. В некоторых местах она будет довольно высокой, здесь пол и предметы сильно нагреваются, а нагретый от них воздух устремляется вверх. Замещающий поток холодного воздуха создает эффект тяги и ухудшает климатические параметры;
• ❏ если лучистое тепло поступает только с одной стороны, то для находящегося здесь человека (в некоторых случаях и для высокоточных станков), это воспринимается как неравномерный нагрев («эффект костра»).

Примечание. «Эффект костра» — опасен как для здоровья людей так и для эксплуатации высокоточных станков.

Для создания «теплого острова» применяются преимущественно светлые излучатели, так как светлыми излучателями тепло легче фокусировать (угол пространственного распределения лучей — ядро излучения составляет всего лишь 60°, в то время как у тёмных трубчатых излучателей — 90°). Ниже приводимый теплотехнический расчёт «теплого острова» относится к светлым излучателям, однако, оценив объект и поставленные задачи, в случае применимости тёмных излучателей, по аналогии, принцип расчёта применим и для тёмных излучателей. При предлагаемом решении не всё зависит от излучателей , многое от параметров локального отопления и от опыта и знаний тех, кто проектирует такое отопление.

Приступим к расчёту.

Пусть в неотапливаемом помещении (например, площадью 2000 м 2 , высотой 8 м) на определённой рабочей площадке нужно создать температуру теплоощущения, равную + 14 °С.

Применима следующая методика расчёта и подбора обогревательного оборудования:

❏ выберем место установки излучателей вблизи рабочего места, по возможности друг против друга для выравнивания теплового влияния (уравновешивания «эффекта костра»). Близкое расположение желательно потому, что интенсивность теплового излучения (как и видимого излучения) у светлых излучателей падает пропорционально квадрату расстояния;

❏ добавку «лучистой» температуры к температуре воздуха в здании можно определить как добавку, равняющуюся 10 °С, так как при большей разности температур появляются нежелательные воздушные потоки, т.е. ощущение сквозняка и кроме этого это предельно возможная добавка при максимально разрешенной плотности облучения 140 Вт/м 2 :

(140 Вт/м 2 . 0,072 (м 2 . °C/Вт) ≈ 10 °C.

Более высокая добавка может быть получена только за счёт превышения норм по облучению персонала, что недопустимо. Если расположение излучателей возможно, например, на высоте 6 м и в горизонтальном направлении на расстоянии 5 м и 8 м от выбранной точки обогрева, то таким образом, рассчитанное место обогрева находится от излучателя на расстоянии 7,8 м и 10 м (согласно теореме Пифагора).

Задача расчёта: необходимо определить неизвестную мощность излучателей, которые одновременно создадут «лучистую добавку» (разницу между температурой теплоощущения и температурой воздуха), равную 10 °С в расчетном месте.

Проведём приблизительный расчёт (для более точного расчёта существуют изложения в специальной литературе). Предположим, что излучение от излучателя распространяется в виде полусферы. Для практических расчётов с применением светлых излучателей (размер излучателя на порядок меньше, чем расстояние до облучаемого места) — предположение довольно удачное.

У тёмных излучателей, имеющих линейный характер конструкции, размеры тела излучателя сопоставимы с расстоянием до обогреваемого места. Излучение ИТГО распространяется в виде сегмента цилиндра.

В расчётах необходимо учитывать, что в одном случае (для светлых излучателей) интенсивность падает с квадратом расстояния , а в другом (для тёмных излучателей) — пропорционально расстоянию, что соответствует зависимости площадей сферы и цилиндра от радиуса (расстояния до облучаемой точки).

Исходя из этого предположения, рассчитываем интенсивность излучения ( I ) в заданной точке в зависимости от тепловой мощности излучателя ( Р ), лучистого КПД

( ç S ), а также расстояния между выбранной точкой и излучателем ( r ).

Например, для светлого излучателя мощностью 36 кВт и ç S = 0,6 лучистая энергия равняется:

36 . 0,6 = 21,6 кВт.

На расстоянии r = 7,8 м от излучателя поверхность полусферы:

S = 4 . ð . r 2 /2=382 м 2 .

Следовательно, интенсивность излучения равняется:

21600 Вт/382 м 2 = 57 Вт/м 2 ,

что соответствует увеличению температуры теплоощущения на:

57 . 0,072 = 4,1 °С.

Обобщенное выражение для расчёта температуры лучистой добавки на основе изложенного имеет вид:

Ä t эф = ( Р . ç S /2 . ð . r 2 ) . 0,072;

ç S = 0,6;

Ä t эф = =7,45 . ( Р / r 2 ),

где Р приводится в кВт, а r — в метрах.

Из этих соотношений можно определить, какой мощности инфракрасный излучатель нужно установить на расстоянии r от обогреваемого участка для достижения желаемой температуры лучистой добавки.

Р = ( Ä t эф . r 2 )/7,45.

Разделим температуру лучистой добавки 10 °С равномерно между обоими излучателями. Отсюда следует, что для r = 7,8 м и Ä t эф = 5 °С установленная мощность равняется:

Р = (5 . 7,82)/7,45 = 41 кВт.

На расстоянии r = 10 м

( Ä t эф = 5 °С) расcчитаная мощность Р = 67 кВт.

В этом примере расчёта сделаны некоторые упрощения и не учтены следующие важные факторы:

• ❏ на самом деле излучение распределяется не в форме полусферы, а лишь некоторого ее сегмента т.е. оно сфокусировано в более узком пространстве. Это значит что значение интенсивности излучения зависит от угла пространственного распределения;
• ❏ значение интенсивности облучения площади зависит от косинусоидального закона Ламберта;
• ❏ излучение, обычно попадает на пол не перпендикулярно, а под углом. Поэтому поглощается не полностью.

Эти три фактора, в особенности распределение потока излучения отражателем, дают практическое увеличение расчётной эффективной температуры теплоощущения на 40-50%, т.е. в нашем случае:

10 . (1,4 - 1,5) = 14-15 °С.

Чтобы избежать этого, всё выражение нужно поделить на 1,5, а для расчётов использовать следующее соотношение:

Р = Ä t эф . r 2 /(7,45 . 1,5)

для светлого излучателя;

Р = Ä t эф . r . l /(7,45 . 1,5)

для тёмного излучателя.

Таким образом, рассчитанное значение мощности излучателей будет равно 41 кВт/ 1,5 = 27 кВт, а для обогревателя изначально рассчитанной мощности равняющейся 67 кВт уменьшится до 45 кВт.

Полная устанавливаемая мощность равняется:

27 + 45 = 72 кВт.

Следующим шагом является определение полных теплопотерь цеха, которые, например, будут равны 14 кВт/°С (определяются согласно методике, приведенной выше).

Установленная тепловая мощность излучателей «теплого острова» увеличивает температуру воздуха всего цеха на:

72 кВт/14 (кВт/°С) = 5,1 °С, т.е. при внешней температуре — 20°С температура воздуха в цеху будет -14,9 °С. К этому прибавится лучистая добавка температуры в месте нахождения «тёплого острова»

(+10 °С), и таким образом в рабочем месте температура теплоощущения составит:

-14,9 + 10 = -4,9 °С.

Этого недостаточно, т.к. требуется обеспечить заданную температуру, равную +14 °С.

Нехватку в 18,9 °С (14 - (-4,9)) необходимо получить, установив дополнительную мощность. Значение мощности компенсации равняется:

18,9 °С . 14 (кВт/°С) = 264 кВт.

Полученное значение добавляем к 72 кВт.

Из расчётов видно, что в то время, как увеличение температуры теплоощущения на 10 °С в пересчёте на каждый °С равно:

72 кВт/(5,1 +10) °С = 4,77 (кВт/°С),

то увеличение температуры на недостающие 18,9 °С будет требовать дополнительно 14 кВт/°С, что выражается в необходимости установить дополнительную мощность равную 264 кВт.

III.3.2. Расчёт равномерного обогрева станка

Представим себе высокоточный обрабатывающий центр имеющий размеры:

• ❏ излучение длина — 24 м;
• ❏ излучение ширина — 8 м;
• ❏ излучение высота — 6 м.

Требуемые температурные параметры для станка:

• ❏ излучение рабочая температура находится в диапазоне +15...+22 °С;
• ❏ допустимый градиент температур на станине — не более 1 °С;
• ❏ допустимое изменение температуры по времени — не более 1,5 градуса за 6 часов.

Оборудование установлено на расстоянии 3 м и 19 м от стен в помещении с параметрами:

• ❏ высота стен помещения — 30 м;
• ❏ одна из стен — смежная с соседним, не отапливаемым помещением. В ней на высоте 12 м по всей длине имеется сплошное по всей длине отверстие высотой 2 м — источник холодных сквозняков;
• ❏ длина помещения — 196 м;
• ❏ ширина помещения — 30 м.

В данном случае необходимо изначально отбросить конвективный способ отопления, так как обеспечить градиент температуры по всей высоте, равный 1 °С, будет сложно или практически невозможно.

Примечание. Известно, что при конвективном отоплении естественный градиент температуры воздуха находится в диапазоне от 0,7 °С/м до 1,5 °С/м. Но даже имея в активе лучистые обогреватели, создаю-

щие естественный градиент температуры воздуха равняющийся 0,2...0,3 °С/м, без дополнительного технического обеспечения поставленную задачу решить трудно. Необходимо иметь систему управления микроклиматом способную эффективно управлять лучистым отоплением.

Как заметил главный энергетик НКМЗ (г. Краматорск) В. И. Трофимов: «Газовые инфракрасные излучатели без хорошей системы управления температурным режимом — это костер в цехе!!!» .

Выполнить поставленную задачу может микропроцессорная управляющая система с программой, учитывающей физические принципы лучевого отопления. Кроме всего прочего, она позволяет дополнительно экономить 10...15% расходуемого топлива по сравнению, например, с обычной универсальной аналоговой системой управления.

Полный перечень требований к современным системам отопления будут рассмотрены в следующих номерах журнала. Для решения поставленной задачи необходимо, чтобы СУ удовлетворяла следующим критериям:

• ❏ иметь программное обеспечение, учитывающее особенности физического принципа лучистого отопления и результаты мониторинга микроклиматических параметров;
• ❏ иметь современные датчики внутренней температуры;
• ❏ иметь возможность подключения датчика внешней температуры;
• ❏ управлять отдельными зонами отопления;
• ❏ иметь возможность включения/выключения системы в зависимости от гистерезиса внутренней температуры;

Приступим к выполнению задачи. Для этого необходимо обеспечить следующие условия:

1. Создать равномерную температуру на станине со всех сторон.

2. Избежать влияния резких перемен внешней температуры на температуру в помещении.

3. В случае необходимости избежать «холодного дыхания» соседнего не отапливаемого помещения.

4. Обеспечить необходимый диапазон рабочих температур +15...+22 °С.

Начнём с установки излучателей в два яруса на обеих боковых стенах помещения под углом к плоскости пола.

Высота подвески излучателей 8 м и 10 м. Угол подвески выбирают так, чтобы перпендикуляры к плоскостям излучателей верхнего яруса мысленно соединяли плоскость излучателя с верхней точкой станка. Перпендикуляры к нижнему ярусу излучателей должны соединять плоскости излучателей с нижней точкой станка.

Каждую сторону станка будут обогревать четыре лучистых обогревателя по два в каждом ярусе. На каждой боковой стороне станка в двух (а если это необходимо, то в четырех) крайних точках станины будут закреплены контактные температурные датчики ( D ). Соответствующий излучатель и датчик будут составлять одну зону отопления, и будут подключены к соответствующей зоне ( Zn ) системы управления.

Разместив излучатели под открытым проемом ближней к станку стены, мы выполняем условие 3 , т.е блокируем поступление холодного воздуха из соседнего помещения. Нагретые до 350 °С тела четырех излучателей, размещенных в два яруса и имеющие общую длину около 18 м, в каждом ярусе создадут пассивную тепловоздушную завесу, предохраняя станок от падения холодной воздушной массы вниз.

Для выполнения второго пункта не обойтись без датчика внешней температуры и программного обеспечения, как составных частей СУ, позволяющих оценивать вектор и динамику изменения внешней температуры и выдавать для излучателей сигнал «Отапливай» с учетом изменения внешней температуры и требования равномерности температуры на станине.

Самая трудная задача возникает при выполнении условия 1 , так как расстояния от плоскостей станины до плоскостей стен слишком разные. Создание равномерной температуры на поверхности — это вопрос обеспечения получения станком в одинаковые периоды времени одинакового количества энергии. Энергия же передается электромагнитной волной и характеризуется плотностью излучения на единицу площади.

Проблема равновесия решается двумя способами:

1. Подбором мощности излучателей по обеим сторонам станка так, чтобы максимально уменьшить влияние так называемого «эффекта костра».

2. Регулированием времени вкл./выкл излучателей.

Не вдаваясь в подробные математические выкладки, подбор мощностей проводим согласно формуле:

Ä t л =7,45 . ( Р /( R . L )) (1),

где Р (кВт) — тепловая мощность излучателя;

R (м) — расстояние от излучателя до соответствующего датчика;

L (м) — длина излучателя.

Так, например, в нашем случае (см. рис. 1 ) можно тригонометрически рассчитать, что R 1 = 5 м, R 2 = 9 м, R 4 = 21м, R 3 = 19,4 м.

В первом приближении исходим из того, что уравновешивание температуры на разных сторонах станка будем производить подбором соответствующей плотности облучения (мощности излучателя) с каждой стороны в рамках одного яруса. А вертикальные температуры на одной стороне будем регулировать временем вкл./выкл. Излучателей разных ярусов.

Допустим, у нас есть для применения аппарат мощностью 13 кВт и длиной 9,2 м (тёмный трубчатый газовый обогреватель — I-образный излучатель). Разместим его на ближайшей к станку стене.

Подберём второй аппарат для размещения в том же ярусе на другой стене.

Разница лучистых добавок температур — Ä t л в идеале должна быть равна нулю. Попробуем применить U-образный излучатель длиной 8,4 м и мощностью 50 кВт. Подставим заданные параметры в формулу (1) и получим:

7,45 . ( Р 1 /( R 1 . L 1 )) = 7,45 . ( Р 3 /( R 3 . L 3 ));

7,45 . (13/(5 . 9,2)) = 7,45 . ( Р 3 /(19,4 . 8,4)).

Отсюда находим:

Р 3 = 13 . 19,4 . 8,4/(5 . 9,2) = 46 (кВт).

Таким образом, необходимая для решения поставленной задачи мощность излучателя равняется 46 кВт. Учитывая, что некоторая часть энергии уйдет на абсорбцию загрязненным воздухом, то стационарный U-образный излучатель мощностью 50 кВт очень хорошо справится с заданием. Установленные таким образом восемь излучателей, выполняя задачу поддержания температуры на станине, являются составной частью общей системы отопления в цехе.

Другие излучатели ЛСО обеспечат поддержание диапазона рабочих температур во всем помещении в диапазоне 10...17 °С. Их мощность и количество подбирается в зависимости от теплопотерь объекта и гигиенических ограничений.

III.4. Часто встречающиеся ошибки при проектировании

(О проектировании не только проектантам...)

Ошибки проектирования и отклонения от оптимального решения пользователь обычно не замечает. Естественно, проектировщик тоже, иначе он не сделал бы этих ошибок. Во многих случаях ошибку можно заметить и исправить, пойти на компромис, в крайнем случае возникают правовые споры.

Ознакомление с наиболее часто встречающимися ошибками или отклонениями от оптимального состояния поможет проектантам. Возможно, предложенные мною мысли уведут вас от стереотипов и помогут избежать ошибок другого типа.

III.4.1. Недостаточная мощность

(Когда экономить бывает накладно...)

Часто приходится встречаться с заниженной инсталируемой мощностью. Как правило, это происходит, когда проектировщик и фирмапродавец под давлением заказчика (в прямой пропорции к его финансовым возможностям) устанавливают меньшую суммарную мощность излучателей, чем это необходимо. Обычно это не сильно сказывается на температуре в помещении, т.к. зимы стали теплее, а в СНИП-ах все осталось, как прежде.

Такая ошибка еще не столь катастрофична. Да и ошибкой ее назвать нельзя. Стороны сознательно идут на риск несоблюдения температурных требований, по СНИП-у (ДБН-у) так как у заказчика отсутствуют средства для установки полноценной системы отопления.

Хуже, если фирма-продавец в желании победить конкурента заведомо занижает значения теплопотерь (например, заведомо пользуется заниженными коэффициентами теплопотерь или инфильтрации, «забывает» учесть и другие важные факторы). Заказчик не всегда осознает подвох или не имеет возможности перепроверить расчёты и соблазняется на кажущуюся дешевизну проекта.

Добросовестные конкуренты устраняются, а недобросовестная фирма получает заказ. Расплатой за такую недобросовестность бывает низкая температура, повышенный расход газа, дополнительная покупка изделий и повышенные расходы на реконструкцию.

III.4.2. Избыточная мощность

Избыточное проектирование связано, чаще всего, с тем, что проектанты, понимая разницу между эффективной температурой теплоощущения и температурой воздуха, в силу разных причин (стереотипность мышления, излишняя перестраховка и пр.) расчитывают потери тепла исходя не из реальной разности температуры воздуха внутри и с наружи помещения, а исходя из требуемой эффективной температуры теплоощущения.

Избыточность мощности в проекте будет тем больше выражена, чем хуже теплотехнические свойства помещения, т.е. чем больше удельные теплопотери. Такой избыток мощности, в зависимости от удельных теплопотерь, колеблется в пределах 10...40%, удорожая без надобности стоимость покупки и эксплуатацию оборудования.

III.4.3. Не используются возможности создания зонального отопления

Характерный пример — отопление оптовых магазинов и складов. В оптовых магазинах кроме кассиров, для которых нужна температура теплоощущения +20 °С, этого не требуют ни покупатели, одетые по сезону в теплую одежду, ни пищевые продукты (шоколад и пр.), ни напитки. Тем не менее, часто можно встретить проекты с равномерным распределением интенсивности излучения по всей площади, т.е. проектирование игнорирующее назначение объекта и возможности лучистой системы отопления. Для товаров и покупателей лучше, если лучистое отопление сделано так, чтобы вблизи кассы была образована «теплая зона», т.е. чтобы была создана комфортная зона с необходимыми температурными параметрами, а значит и оптимальной мощностью системы отопления.

Если требуется равномерное распределение тепла, то имеет смысл воспользоваться хотя бы зональным отоплением. Наряду с увеличением потребительского эффекта, достигаемая экономия энергии в зависимости от теплотехнических и местных условий может равняться 10...25% при снижении затрат на отопление в несколько раз.

Аналогичная ситуация при отоплении складов, где полезное пространство составляет 20...З0% полной площади. В большинстве случаев имеет смысл отапливать только те участки, на которых находится товар, так как тем самым создается комфортная температура при одновременной защите от мороза остальной части помещения. Это намного выгоднее, чем поддерживать во всем складе относительно низкую температуру. ■

Продолжение...

Автор Владимир Молька, инженер, коммерческий директор фирмы Adrian, Словакия, лауреат Всеукраинского конкурса «Энергоэффективность 2005» Статья написана в соавторстве с Золотько Е.В., к.т.н., доцентом кафедры «Безопасность жизнедеятельности» днепропетровского НУ