По материалам фирмы «ТМ ПК»

Отопление газовыми лучистыми системами выражается в 2-3-кратной экономии топлива и 4-6-кратном уменьшении общих затрат на отопление.


Тот, кто профессионально связан с теплоэнергетикой больших предприятий или просто интересуется данной проблематикой, знает, как непросто обеспечить эффективное отопление гигантских корпусов промышленных предприятий. При поиске решений необходимо учитывать экономический, энергетический и экологический аспекты. Именно об этих «Трёх «Э» мы и будем говорить в данной статье на тему: эффективное отопление больших промышленных помещений.

Первое «Э» — энергетика
Одним из прогрессивных методов решения проблем, связанных с отоплением больших промышленных помещений, является применение лучистой энергии, которое, по сравнению с классическим паро-тепловоздушным отоплением, требует значительно меньших затрат. Экономия достигается в потреблении количества сжигаемого топлива, в более эффективных, и как следствие этого, более низких общих затратах на отопление. Но вопреки этой бесспорной выгоде лучистого отопления, часто выбирается система отопления, которая не является финансово самой эффективной или же неподходящая для данного типа помещения. К тому же, разработка проекта лучистого отопления сложнее и в ней необходимо учитывать множество условий, влияющих на тепловой комфорт человека, находящегося в зоне лучистого отопления. Однако наградой за внедрение лучистых систем отопления бывают комфортные климатические условия, низкие затраты средств на отопление, что в условиях рыночной экономики может иметь значительное влияние на общую экономическую ситуацию предприятия.

Энергопотребление объекта определяется потребностями человека, находящегося в этом объекте. Тепловая энергия может распространяться, в основном, тремя способами:
1. конвекцией — потоками воздуха,
2. кондукцией — проводимостью,
3. электромагнитными волнами — излучением.

Первый и второй способы передачи энергии — конвекция и кондукция — используются в классических отопительных системах. В этом случае тёплый воздух, согретый нагревательным элементом, распространяется по пространству и передает энергию в виде тепла предметам, конструкции здания и человеку, причём сам источникэнергии охлаждается.

О третьем способе распространения тепловой энергии — излучении — мы в большинстве случаев даже не задумываемся, хотя встречаемся с ним каждый день. Таким способом Солнце передаёт свою тепловую энергию поверхности Земли, от которой впоследствии нагревается воздух. В данном случае речь не идёт о передачи тепла проводимостью или конвекцией, а о передаче энергии электромагнитным излучением.

Каждое нагретое тело излучает электромагнитные волны — энергию. Попадая на поверхность предметов, конструкции зданий и на самого человека, энергия электромагнитного излучения обратно преобразовывается в тепло. Такая система из двух тел, одно из которых передаёт энергию, а второе её принимает и преобразует в тепло, используется в лучистом отоплении. Лучистые отопительные устройства — излучатели, размещаемые на определённой высоте от пола помещения, излучают электромагнитные волны, которые с очень незначительными потерями проходят через воздух и после попадания на пол, стены и предметы, частично поглощаясь, согревают их.

В свою очередь, вторично от теплых предметов нагревается воздух. Влияние лучистого отопления на человека сродни природному. Ощущения человека в зоне лучистого отопления можно сравнить с прогулкой в солнечный день ранней весной. Воздух ещё не прогрелся, но солнечные лучи уже согревают землю и человек их ощущает как приятное тепло.

Cравнительная характеристика для двух систем отопления
Объекты мы строим новые, реконструируем старые, используем те, что нам достались в наследство от прошлых времён. Этих последних абсолютное большинство. Они характеризуются гигантизмом конструкций, плохими теплотехническими свойствами, пустующими площадями. Отапливать такие объекты «по-старинке» объективно нецелесообразно и невозможно. Как же быть?

Для ответа на этот вопрос опишем конвективный и лучистый способы отопления на примере одного и того же объекта.

Конвекционная отопительная система
Рассмотрим с точки зрения отопления гипотетический цех высотой, скажем, 25 м и попытаемся определить, возможно ли достигнуть здесь комфортного ощущения и во что это выльется в затратных величинах. Как видно из рис. 1, энергия, попадающая в зону нахождения человека в промышленном здании, значительно отличается по величине от той энергии, которую содержит топливо. Эти потери тем выше, чем:

• ниже КПД котельни
• хуже состояние теплотрасс
• примитивнее теплообменники (регистры, радиаторы, воздуходувки)
• хуже теплотехнические свойства конструкций объекта
• выше объект.

Для того, чтобы получить в объекте требуемую температуру, мы должны сначала с учетом вышеперечисленных факторов посчитать потери (в т.ч. и теплопотери объекта), а потом компенсировать данные потери инсталлированной мощностью источника тепла.

Учитывая весь комплекс явлений, связанных с централизованным конвективным отоплением больших промышленных обьемов, мы можем констатировать, что при этом способе отопления суммарные теплопотери довольно велики и для их компенсации необходимо закладывать дополнительные значительные мощности.

Лучистая отопительная система
Тэф = tв + tл , °C,
где Тэф — температура, ощущаемая человеком;
tв — температура воздуха;
tл — добавка к температуре, образованная лучистым потоком, равнaя tл = Is . 0,072.
Is — это интенсивность лучистого потока, а число 0,072 — эмпирически полученная константа.

Согласно вышеприведенному равенству, лучистый поток с интенсивностью 100 Вт/м2 образует ощущаемую добавку температуры от излучения в размере 7,2 °C. Это значит, что для результирующей комфортной температуры 18 °С при лучистомпотоке 100 Вт/м2 достаточно температуры воздуха 10,8 °С (!).
Тэф = tв + Is . 0,072; 18 °C = tв + 100 Вт/м2 . . 0,072 (°С . Вт-1 . м2);
tв = 18 °C - 7,2 °C.
Как видно, достаточной температурой воздуха будет tв = 10,8 °C (см. также рис. 2).

• На рис. 3 приведено распределение температур для двух типов отопительной системы. Площадь области, заключенной между кривыми температуры воздуха, определяет экономию энергии при отоплении. Это первая составляющая экономии — за счёт различия в физических принципах отопления: более равномерным способом распределена температура по всей высоте отапливаемого объекта.

• Вторая составляющая экономии— использование децентрализованного принципа отопления. При этом исключаются затраты на подготовку воды, трубопроводы, ремонты теплосетей, на заработную плату, потери тепла и теплоносителя при транспортировке.

• Третья составляющая экономии— возможность зонального и локального отопления.

• Четвертая составляющая экономии — безынерционность лучистой системы отопления: выход на необходимую температуру после утреннего запуска настаёт довольно быстро — примерно за 10-25 минут на рабочем месте будет необходимый глобальный температурный комфорт.

• Пятая составляющая экономии— возможность управлять отоплением c учётом изменения внешней температуры (что очень важно в переходные времена года). Кроме этого можно указать на следующие преимущества:

• на рабочих местах обеспечивается тепловой комфорт потому, что температура воздуха на полу на 2-3 °С выше, чем на высоте 1,7 м над полом

• в случае лучистого отопления нет движения масс воздуха и пыли
• лучистое отопление значительно способствует охране среды обитания тем, что экономит топливо и тем, что это топливо является самым экологически чистым
• лучистая система, в сравнении с тепловоздушной, образует минимальный шум и в некоторых случаях практически его не создает
• лучистую отопительную систему нельзя разморозить
• управление лучистым отоплением с помощью микропроцессорной СУ приводит к тому, что люди даже не замечают, что отопление включено, в отличие от тепловоздушного отопления, при котором имеются жалобы на значительный тепловой дискомфорт
• монтаж и ремонт излучателей не нарушают рабочий цикл в цеху благодаря тому, что излучатели размещаются в верхних частях помещения и не занимают активную площадь пространства производственного помещения.

Недостатки лучистого отопления
Лучистая отопительная система не может быть использована в помещениях, где есть опасность возникновения взрыва или пожара (категории «А» и «Б»). Ответ на вопрос о недостатках лучистого отопления невозможно сформулировать однозначно. Более правильно формулировать вопрос как соответствие (любое) отопительной системы конкретному объекту с заданными параметрами.

Поскольку именно неправильный выбор и неправильное проектирование отопительной системы в большинстве случаев позже воспринимается как недостаток лучистой системы. Останавливаясь на лучистом отоплении с использованием светлых излучателей, следует отметить, что созданию высоких температур соответствует выгорание кислорода, а также образование окислов углерода и других вредных веществ за счет пригорания пыли. В связи с этим возникает потребность в определенном количестве свежего воздуха. Нужна вентиляция, которая увеличивает теплопотери помещения и приводит к дополнительному увеличению тепловой мощности системы отопления и экономических расходов.

Конструкция современных типов тёмных излучателей направлена на максимальную экономию первичного носителя (например, природного газа), которая достигается:

• использованием качественных материалов и технологий. Решающее влияние на лучистые свойства инфраизлучателя имеют использованные материалы. Многие дешевые излучатели используют алюминиевый рефлектор, который после короткого времени эксплуатации окисляется и теряет значительную часть своих отражающих свойств. У излучающих труб решающим фактором является их срок службы и излучающие свойства
• использованием патентов и изобретений. Применение горелки Вентури, например, уменьшает влияние температурных шоков на материал излучающей трубы, повышает эффективность передачи тепла и качество сгорания
• использованием элементов рекуперации тепла и рециклации продуктов сгорания, что повышает общую эффективность устройства, и излучатели становятся более щадящими для окружающей среды
• качественным управлением на базе микропроцессорной техники. Лучшие системы управления позволяют управлять не только лучистыми обогревателями, но и иными субсистемами, связанными с общими микроклиматическими условиями в отапливаемом пространстве
• использованием специальных датчиков температуры, способных суммировать температуру воздуха и лучевую добавку к ней. Это приводит к значительной экономии газа
• исключительными техническими решениями, которые гарантируют долговременную эксплуатацию без неисправностей с гарантированными параметрами (см. сравнительную таблицу ГЛО). Как резюме к сравнению разных излучателей, можно констатировать, что каждый тип помещения требует своего способа отопления. Каждое шаблонное решение представляет собой угрозу неполучения ожидаемых результатов.

Как выбрать обогреватели?
Конструктивная надежность приборов Сравнение надежности излучателей с конструктивной точки зрения является результатом одновременных оценок нескольких факторов. Повреждения, в принципе, могут встретиться в любом конструктивном элементе, однако характерным является то, что чаще всего из строя выходит излучающая труба, вентилятор или автоматика управления, которые нужно заменить или ремонтировать.

Вентиляторы бывают двух назначений в зависимости от конструкции горелок. Есть излучатели с подачей воздуха под давлением и есть излучатели, в которых воздух поступает под атмосферным давлением. Вентиляторы в атмосферных горелках более уязвимы, т.к. работают в высокотемпературной и агрессивной среде — выхлопных газов (например, распространенным повреждением является заклинивание подшипников). Кроме того, для снижения себестоимости излучателей некоторые изготовители применяют дешевые, малонадежные вентиляторы или индивидуальные решения, практическая пригодность которых тестируется в недостаточном объеме и, как правило, на потребителе. Хорошо, если подшипники шариковые, а в процессе производства проводилась статическая и динамическая их балансировка.

Для элементов автоматики (обычно автоматика горелки и контроля пламени) важно, чтобы в приборах были установлены более известные, имеющиеся в продаже, типы вентилей, так как их можно приобрести у производителя или дилера и при необходимости их можно было бы найти в других местах.

При выборе труб вероятность повреждения мала, срок службы большой, эти трубы противостоят как коррозии, так и высокой температуре. Чем больше тепловая мощность прибора, тем более строгие требования к нему — особенно, что касается трубы, в которой горит пламя. Обычно производители обозначают трубы как высшего качества, независимо от материала. Материал может бьrгь самый различный.

Гарантия
Очень важным фактором является гарантия и гарантийные условия. Целесообразно проверить, полные ли они? Включает ли гарантия все конструктивные элементы от трубы до вентилятора? Какие обязательства покупателя для действительности гарантии? Например, если во время гарантийного срока стоимость обязательных профилактических работ, выполняемых дилером, высокая, предположительно 5-10 % стоимости прибора, тогда возникает вопрос, действительно ли идет речь о гарантии или это просто скрытое повышение цены?

Прочие обстоятельства по вводу устройства в эксплуатацию Свои задачи устройство выполняет только в смонтированном виде после запуска в эксплуатацию. С точки зрения устройства фактором повышения цены могут быть расходы по введению в эксплуатацию, которую обязательно должен выполнить обученный представитель изготовителя или дилер.

Последующий уход
Даже приборы с большим сроком службы могут выйти из строя, а поврежденный элемент нужно ремонтировать
или заменить, т.е. нужен последующий уход. Желательно учитывать это уже при покупке. Во многих случаях покупатель может оказаться в затруднительном положении, если через 2-3 года не найдет продавца, который теперь под другим названием продает другой товар. Не последнее место в оценке возможностей проведения послегарантийного обслуживания является удаленность фирмы продавца от места дислокации покупателя, а также наличие у неё склада з/частей и квалифицированных специалистов.

Прочие соображения
Целесообразно проверить надежность работы оборудования, если имеются соответствующие данные, а также оценить срок службы проверкой материалов, компонентов и конструктивных элементов. Преимуществом считается простой уход, близость сервиса и снабжение запчастями. Но даже после правильного выбора класса излучателей среди устройств одного класса необходимо стремиться к выбору такого оборудования, которое по своим параметрам будет способно удовлетворять связанные с его эксплуатацией требования не только сегодня, но и через 5, 10, 20 лет (а именно на 20 лет эксплуатации рассчитаны наиболее современные системы отопления). Это значит, что любое оборудование должно иметь такой запас эффективности сегодня, чтобы его эксплуатация была выгодна и в будущем. Кроме того, тепло, вырабатываемое таким оборудованием, — лишь одна из составных частей общего микроклимата в помещениях, который мы должны обеспечивать, а это значит, что отопительное оборудование должно быть приспособленным для создания комплексных микроклиматических систем, состоящих из разнотипного оборудования, отвечающего за разные составляющие микроклимата. Не менее важным аспектом, связанным с отоплением больших промышленных помещений, является экологический. Бережное отношение к экологии уже сегодня обеспечивает здоровье будущих поколений, а также позволяет избегать расходов, связанных с обеспечением строгих экологических требований в будущем.

Автоматика
По образному замечанию главного энергетика одного из крупнейших заводов Украины: «Газовые инфракрасные излучатели без хорошей системы управления отоплением — это костер в цеху!». В этом заявлении очень точно подмечена суть отопления без управления. Так как отсутствие управления или наличие простого (примитивного) управления не позволяет получить достаточный экономический эффект от использования данного вида отопления. Хорошая система управления позволяет экономить 10-15 % расходуемоготоплива, по сравнению с аналоговой системой управления.

Помещения большого объема разного назначения и конструктивных особенностей потребляют большие количества различных видов энергии. Среди них доминирует поставка тепла, к которой предъявляются требования максимальной экономности, максимальной комфортности, обеспечения санитарно-гигиенических требований и основных климатических условий для персонала, находящегося в помещениях. Стандартным решением уменьшения количества потребляемой тепловой энергии бывает отказ от старых конвективных отопительных систем и их замена на более эффективные системы, например децентрализация поставок тепла и отопление инфраизлучателями или же тепловоздушными газовыми агрегатами — обогревателями прямого обогрева. Сами по себе эти устройства самостоятельно позволяют достигать высокой тепловой эффективности. Дальнейшее же повышение эффективности потребления энергии возможно получить лишь оптиматизацией температурного режима, с учётом многих факторов, влияющих на процесс отопления, или оптиматизацией управления всеми устройствами, которые участвуют в образовании климатических условий в объекте, как, например, рекуператоры тёплого воздуха, вентиляционные устройства для обмена воздуха, дверные тепловоздушные завесы, дестратификаторы или сервосистемы пассивного проветривания через форточки крышных фонарей. Нельзя забывать о необходимости управлять устройствами, которые прямо не участвуют в выработке и сохранении тепловой энергии, но, с точки зрения безопасности и мониторинга качества воздуха, являются необходимыми, как, например, датчики утечки природного газа, датчики концентрации СО, Nox.

Распределённая система комплексного климатического управления помещения работает, с точки зрения потребления энергии, в оптимальном режиме. При этом соблюдается безопасность и безвредность рабочей среды отапливаемых помещений. Низкие эксплуатационные затраты системы вместе с доступной стоимостью обеспечивают её быструю экономическую окупаемость и реальную возможность финансирования объектов с помощью EPC (Energy Performance Contracting — оплата с помощью полученной экономии). Также оборудование для энергоперевооружения предприятий можно приобрести в кредит.

На сегодняшний день масса фирм занимается отоплением инфракрасными обогревателями, хотя это, скорее, продвижение продукции, а не решение проблем отопления. В любом случае, если мы с Вами решаем проблему отопления, мы должны подходить к этому вопросу в комплексе, т.е. не зацикливаться на оборудовании одного типа, а иметь возможность установки разнотипного оборудования.

К сожалению, полностью раскрыть этот вопрос на нескольких страницах журнала очень сложно. Владимиру Мольке — одному из ведущих специалистов в области отопления — для этого понадобились десятки страниц и годы работы.

Более широко вопрос отопления раскрыт в книге В. Мольки «Инфраизлучатели. Три «Э» в отоплении промышленных зданий», откуда и был взят данный материал.