Данной статьей открываем серию публикаций посвященной теме эффективного отопления промышленных зданий с помощью инфрaизлучателей.

Автор Владимир Молька, инженер, коммерческий директор фирмы Adrian, Словакия, лауреат Всеукраинского конкурса «Энергоэффективность 2005»

Многие из Вас, кто профессионально связан с теплоэнергетикой промышленных предприятий, или те, кто просто интересуется данной проблематикой, знают как непросто обеспечить эффективное отопление гигантских корпусов промышленных предприятий. При поиске решений остро стоит необходимость учитывать экономический, энергетический и экологический аспекты. Именно об этом и об эффективности этих трёх «Э» мы и будем говорить в данной статье.

В настоящее время наблюдается недостаток практической литературы по применению лучистых обогревателей. Имеется много пропагандирующих эту тему публикаций и рекламных материалов, направленных на коммерческую «обработку» руководителей предприятий, воспользоваться которыми для практических целей почти невозможно. Кроме этого, в ограниченных количествах, в продаже можно найти научную литературу советских издательств, пользоваться которой, однако, практикам (энергетикам, проектантам, монтажникам, сервисменам) довольно затруднительно.

Целью данной публикации является в доступной форме восполнить отсутствие практического руководства по применению инфракрасных обогревателей. В изложенном материале используется собственный опыт работы, опыт работы фирмы в которой он работает, информацию других фирм, нормативные документы и теоретические публикации на заданную тему с целью помочь тем кому это необходимо в поиске приемлемых решений.

I. Какие цеха, корпуса или участки в этом сезоне будем отапливать, а какие нет?

Как эффективно отопить цеха, если по сравнению с проектными возможностями они как по площади так и по времени загружены лишь частично? Как при этом отапливать АБК? Чем платить за отопление при столь ограниченном бюджете? Как выбрать из огромного количества заманчивых предложений на рынке одно решение, которое решит мои конкретные проблемы?

Вопросы такого характера стоят перед каждым энергетиком завода или фабрики в канун отопительного сезона.

И это непростые вопросы...

Чтобы на них ответить необходимо:

1. Определиться с видом топлива

Думаю, никто не cтанет спорить, что газ, как топливо, в энергетическом, экономическом и экологическом аспекте предпочтительнее других источников энергии. Ведь, природный газ из всех топлив легко транспортируется, энергия получаемая его сжиганием приемлема по цене, в процессе его сжигания не вырабатываются окислы серы, пепел и намного меньше выброс NO х и СО.

2. Определиться с «философией» отопления

Мало-мальски разбирающийся в проблематике отопления промышленных зданий человек, не отважится опровергать, что в сложившихся условиях рыночной экономики децентрализованное отопление энергетически, экономически и экологически предпочтительнее централизованного.

3.Определиться с типом отопления

Сегодня уже многие знают, что системы, построенные на принципах лучистого отопления, в большинстве случаев по большинству показателей предпочтительнее чем конвективные системы, в особенности, если речь идёт об отоплении больших по обьему промышленных объектов. Лучистые системы лучше всего подходят для реконструкции отопления без нарушения технологического цикла предприятий.

4. Сделать логический вывод

Коль уж мы согласились или приняли на веру первые три утверждения, это логически приведет нас к выводу, что сегодня для отопления высоких промышленных зданий, практически не существует альтернативы газовым лучистым отопительным системам. Отопление газовыми лучистыми системами позволяет получить 2-3 кратную экономию топлива и 4-6 кратное уменьшение общих затрат на отопление. (Из опыта работы и отзывов из интернета).

II. Теория отопления

Цель отопления — обеспечение приятного ощущения тепла, которое по определению Бедфорда есть: «субъективное ощущение человека, которое основано на комплексном влиянии многих факторов». Отопление также способствует увеличению срока службы зданий и оборудования, выполнению технологических требований, повышению производительности труда и качества выпускаемой продукции.

Субъективное ощущение состоит из нескольких, частично селективных и частично аддитивных эффектов. Такими являются, например, температура воздуха, скорость движения воздуха, влажность воздуха, качество одежды и пр. Среди доминирующих факторов, влияющих на восприятие температуры, главным является излучение окружающих предметов и плоскостей зданий, которое составляет основу радиационного отопления. Значение радиационной составляющей с точки зрения отопления очевидно, если учитывать основные способы теплоотдачи человеческого тела, так как отопление должно компенсировать эту потерю тепла, т.е. поддерживать в равновесии ощущение теплового комфорта.

Теплоотдача с поверхности тела человека происходит конвекцией, кондукцией, излучением и при испарении (пота). Доля кондуктивных теплопотерь небольшая, ее можно рассматривать вместе с конвективными теплопотерями. Сотношение трех способов теплоотдачи человека в отапливаемом пространстве при нормальных обстоятельствах (температура 20 °C) обычно такое:

• конвекция 30-35%;
• излучение 45-50%;
• испарение 20-25%.

Видно, что наиболее характерный фактор теплопотерь — излучение. Теплопотери излучением имеют место, когда окружающая среда (в первую очередь контурные элементы здания) имеет температуру ниже, чем тело человека. Если увеличить среднюю температуру окружающих предметов и конструкций (например, за счет облучения), то теплопотери человеческого тела излучением уменьшаются, и без увеличения температуры воздуха появляется ощущение тепла.

Эффект отопления достигается тем, что температура воздуха, а значит и теплопотери объекта не меняются, в то время, как по ощущению пребывающего в рабочей зоне человека, температура окружающей среды увеличилась.

Если генерируемое тепло содержит компонент излучения, то находящемуся в помещении человеку кажется, что температура среды выше, чем если бы такое же количество полезного тепла передавалось только конвекционным способом. При отоплении с использованием излучения температура, щущаемая человеком, называется температурой ощущения комфорта (температурой комфорта, результирующей температурой, эффективной температурой, температурой теплоощущения), а значение температуры, измеренное традиционным образом с помощью термометра, называется температурой воздуха. Разность этих двух значений температур определяет увеличение ощущения тепла за счет лучистого отопления. Этот эффект определяет принцип использования излучающих тел для отопления.

Не существует идеальных решений. Существуют оптимальные решения для данных условий. (Из опыта работы).

II.1. Первое «Э» — энергетика

Применение лучистой энергии по сравнению с традиционным тепловоздушным отоплением, требует значительно меньших затрат. Экономия достигается как в потреблении количества сжигаемого топлива, так и в более низких общих затратах на отопление.

Но, вопреки этому бесспорному преимуществу отопления, отношение руководителей предприятий к данному типу отопления пока довольно сдержанное. Часто для обогрева помещений выбирается не самая эффективна система отопления или же система отопления, не соответствующая имеющемуся типу помещения. Причиной неправильных решений бывает, с одной стороны, историческая еопытность — в бывших социалистических государствах для отопления промышленных помещений большого объёма использовались централизованные конвективные системы отопления на базе центральных котельных, а с другой стороны — непонимание физического принципа лучистого отопления. К тому же, разработка проекта лучистого отопления сложнее, чем конвективного поскольку возникает необходимость учитывать множество условий, влияющих на тепловой комфорт, а высокого уровня проектантов этого вида отопления, работающих не шаблонно очень мало. Однако, наградой за внедрение лучистых систем отопления, бывают комфортные климатические условия, низкие затраты на отопление, что в условиях рыночной экономики может иметь значительное влияние на общую экономическую ситуацию предприятия.

О конвективном и о лучистом теплообмене Справедливым будет утверждение, что энергопотребление объекта определяется потребностями человека, находящегося в этом объекте.

Что же требуется человеку, находящемуся на рабочем месте?

Для ответа на этот вопрос, сначала попытаемся объяснить, что такое тепло и как человек его ощущает. Из школьного курса физики известно, что температура вещества — это одно из проявлений его энергии.

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 — конвекцией и кондукцией, используются в традиционных конвективных отопительных системах. В этом случае тёплый воздух, согретый нагревательным элементом, распространяясь в помещении и передает энергию предметам, конструкции здания и человеку, причём сам источник энергии охлаждается.

Необходимым условием кондуктивно-конвективного распространения тепла является вещественная среда.

Т.к. в этом случае передача энергии (тепла) происходит при непосредственном соприкосновении молекулы с большей энергией (более нагретой молекулы) с молекулой, имеющей температуру более низкую. Человек в отапливаемом пространстве становится составной частью системы и ощущает тепло как непосредственную тепловую энергию окружающего воздуха, а также предметов, с которыми соприкасается.

В пространстве, отапливаемом конвективным способом, справедливо соотношение, согласно которому температура воздуха t в выше (или по крайней мере равна), чем температура окружающих предметов t п (обогреваемых этим воздухом).

О третьем способе распространения тепловой энергии, а именно передаче энергии излучением, мы в большинстве случаев даже не задумываемся, хотя встречаемся с ним повседневно. Таким способом Солнце передаёт свою тепловую энергию поверхности Земли. Воздух при этом нагревается не непосредственно лучами, а от нагретой поверхности. В данном случае речь идёт о передаче тепла электромагнитным излучением. Каждое нагретое тело излучает электромагнитную энергию в виде поперечных волн. Попадая на поверхность предметов, конструктивные элементы зданий и на человека, энергия электромагнитного излучения преобразовывается в тепловую. Такая система, состоящая 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 в заданном направлении, которые с незначительными потерями проходят сквозь воздух и после попадания на пол, стены и предметы, частично поглощаясь, согревают их.

В свою очередь, от нагретых предметов нагревается воздух. Влияние лучистого отопления на человека сродни природному. В случае лучистого отопления действительно соотношение, согласно которому температура предметов t п выше (или по крайней мере равняется) температуры воздуха t в .

(Примечание: равенство между температурой воздуха и температурой предметов в обоих случаях действительно только в помещениях с абсолютной тепловой изоляцией. На практике в промышленном строительстве с такими объектами мы не встречаемся и в дальнейшем не будем рассматривать и принимать равенство температур).

Для промышленного помещения приведённые соотношения можно отобразить следующим образом (см. рис. ).

Чтобы сравнить эффективность конвекционного и лучистого отопления в типичном промышленном помещении, проанализируем требования к состоянию теплового комфорта человека и энергетические параметры обеих систем отопления.

II.1.2. Требования к отоплению и к объекту

(Держи ноги в тепле, а голову в холоде.)

Тепловой комфорт можно определить как комфортные, приятные ощущения человека в отапливаемом пространстве. На ощущения человека и, тем самым, на комфорт, влияет несколько факторов, самыми важными из которых являются:

• температура воздуха внутри помещения;
• температура плоскостей, ограничивающих интерьер;
• скорость перемещения воздуха в интерьере;
• тепловое сопротивление одежды;
• уровень активности человека;
• относительная влажность среды;
• разница между температурой теплоощущения и температурой воздуха;
• распределение температуры по высоте здания.

Температура воздуха в помещении обычно относится к первичным критериям оценки теплового состояния отапливаемого помещения. Скорость перемещения воздуха вместе с его температурой определяют конвективную передачу тепла между человеком и средой. Идеальное отопление должно обеспечивать такое вертикальное распределение температуры воздуха в помещении, при котором температура на уровне высоты головы человека (приблизительно 1,7 м над полом) была бы примерно на 2 °C ниже, чем на расстоянии 10 см от пола. Значительное влияние на тепловой комфорт человека имеет температура ограничивающих плоскостей помещения. Температура этих плоскостей (стен, пола, потолка и т.д.), состояние которых непосредственно влияет на тепловой комфорт человека, должна обеспечивать абсолютное значение разницы температуры окружающих плоскостей и температуры воздуха не более 5 °C в состоянии отдыха человека и не более 7 °C в процессе интенсивной работы работы.

Если влажность воздуха в помещении не выходит за пределы 35-70%, то она значительно не влияет на ощущение теплового комфорта, поскольку к такому количеству влаги в воздухе человек привычен и интенсивность испарения влаги с человеческого тела при этих условиях соответствует норме.

Остальные факторы, влияющие на тепловой комфорт внутри помещения, принадлежат к более широкому набору микроклиматических условий. Из этих условий необходимо учитывать:

• содержание частиц пыли в воздухе;
• содержание микроорганизмов или бактерий;
• содержание газов и испарений разного типа;
• содержание ионов в воздухе.

Чем характеризуются промышленные объекты?

Объекты строятся новые, реконструируются старые, используются те, что достались в наследство от прошлых времён. Этих последних абсолютное большинство.

Не вдаваясь в конструктивные особенности обьектов, связанные с их назначением отмечу, что, в основном, они характеризуются гигантизмом конструкций, плохими тепло-техническими свойствами, пустующими незадействованными площадями.

Отапливать такие объекты «по-старинке» объективно нецелесообразно и невозможно.

Как же быть?

Для ответа на этот вопрос на примере двух одинаковых гипотетических объектов рассмотрим применение конвективного и лучистого способов отопления, а потом сравним эти два конструктивно абсолютно одинаковые объекты, оснащенные разными системами отопления.

Это сравнение подскажет, как решить непростую задачу отопления зданий промышленного назначения. ■

Продолжение...