Для лучшего понимания разницы конвективной и лучистой систем отопления рассмотрим высокое гипотетическое промышленное помещение с высотой, например, 25 м, и попытаемся определить возможно ли достигнуть здесь комфортного восприятия микроклимата, а также во что выльются эксплуатационные затраты.

II.2. Конвективная отопительная система

На рис. 1 показана вся цепочка подачи энергии от источника к потребителю. Кроме этого на рисунке показано, что энергия в помещении распределяется неравномерно.

Высоко под крышей, её значительно больше, чем в рабочей зоне. Энергия, остающаяся в рабочей зоне здания, значительно отличается по величине от той энергии, которую можно извлечь из топлива.

Отличается на величину потерь энергии. Эти потери тем выше, чем:

❏ ниже КПД котельной;

❏ хуже состояние теплотрасс;

❏ ниже КПД теплообменников в помещениях (регистров, радиаторов, конвекторов);

❏ хуже теплотехнические свойства контрукций объекта;

❏ больше реальный воздухообмен в здании;

❏ выше объект.

С учётом вышеперечисленных фактов, для того, чтобы получить требуемую температуру на обьекте необходимо компенсировать все теплопотери здания и потери по пути поставки энергии установленной мощностью источника тепла.

II.2.1. Теплопотери

Общие теплопотери объекта состоят из теплопотерь конструкцией здания и теплопотерь за счет воздухообмена.

Q общ = Q к + Q в .

Теплопотери конструкцией расчитываются по формуле:

Q к = Ó [ k j . S j . ( t i - t e )],

где k j — коэффициент теплопотерь j -го строительного элемента конструкции

(Вт . м -2 . K -1 );

S j — площадь j -го, ограждающего строительного элемента конструкции (м 2 );

t e — внешняя расчётная температура;

t i — требуемая внутренняя температура в помещении.

Потери энергии воздухообменом расчитываются по формуле:

Q в = ñ . c . V . h -1 . ( t i - t e )/3600,

где ñ — плотность воздуха (кг/м 3 );

c — специфическая тепловая ёмкость воздуха (Дж/кг . K);

V — объем помещения (м 3 );

h -1 — кратность воздухообмена в помещении за 1 час (ч -1 ).

Примечание. Oбычно при естественном воздухообмене (инфильтрации) кратность воздухообмена в промышленных помещениях находится в диапазоне значений h -1 = 0,4-0,8 (в специальных публикациях приводились значения коэффициента воздухообмена промышленных помещений равные 1,5). Такой разброс может существенно влиять на величину расчётных теплопотерь объекта. Для получения правильных результатов расчёта теплопотерь и, как следствие, для получения заданных температур, кратность воздухообмена необходимо рассчитывать согласно существующим методикам. Одну из таких методик я приведу в соответствующей главе. Ознакомившись с факторами, влияющими на теплопотери, и учитывая весь комплекс явлений и параметров, связанных с централизованным конвективным отоплением промышленных зданий можно констатировать, что при этом способе отопления суммарные теплопотери довольно велики, и для их компенсации необходимо закладывать значительные мощности.

II.3. Лучистая отопительная система

II.3.1. Лучистая энергия. Заметки на полях

Краткое описание инфракрасного излучения

ИК-излучение — это электромагнитное излучение в виде поперечных электромагнитных волн, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1-2 мм). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм). В области инфракрасного излучения находится и видимый свет с длиной волны от 3,9 . 10 -7 м до 7,4 . 10 -7 м.

Инфракрасное излучение обладает способностью нагревать предметы, на которое оно попадает. Человек не в состоянии видеть в этой части спектра, но не лишён способности чувствовать тепло. Как известно, любой объект, чья температура больше чем (-273 °С) излучает, а спектр его излучения определяется только его температурой и излучательными свойствами. ИК-излучение имеет две важные характеристики: длину волны (частоту) и интенсивность излучения. В инфракрасном спектре есть 2 области: первая — с длинами волн до 2,4 мкм, влияние которой на организм отрицательно, и вторая — примерно от 7 до 14 мкм (так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по-настоящему уникальное полезное действие.

Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны 9,6 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки организма, что приводит к многим положительным для организма эффектам.

Источником инфракрасного излучения является возбужденный электрон, возбуждающийся квантом тепловой энергии, источником которого является энергия освобождающаяся при горении топлива. Возбуждение электрона приводит к его переходу на более высокий энергетический уровень. Переход электрона на высший энергетический уровень (ближе к ядру — нестабильное состояние) — это энергозатратный процесс. Энергию электрону передаёт квант тепловой энергии, полученный в результате химической реакции окисления в процессе сгорания топлива. Возвращение электрона на более низкий «родной» энергетический уровень сопровождается избавлением его от «лишней» энергии.

Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г. Английский учёный В. Гершель обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца за границей красного света (т.е. в невидимой части спектра) показания температуры на термометре повышаются. Термометр, помещённый за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольным термометром, расположенным вне поля измерений. Было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 г. советский физик А.А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны приблизительно равной 80 мкм, т.е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Так, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к инфракрасному излучению и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

Некоторые важные законы и определения теплообмена:

■ Второй закон термодинамики

Самостоятельно энергия (тепло) переходит только от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой.

■ Абсолютно чёрное тело

Абсолютно чёрное тело полностью поглощает попадающее на него излучение (его коэффициент черноты å = 1). В действительности нет абсолютно черных тел и их å изменяется от 0 до 1 в зависимости от материала вещества и температуры тела.

■ Закон Кирхгофа

В состоянии термодинамического равновесия соотношение плотности потока и относительной способности поглощения одинаково для всех поверхностей. Величина плотности потока излучения абсолютно черного тела зависит только от температуры тела. Из этого закона следует, что тела, интенсивно поглощающие энергию, также интенсивно будут ее излучать.

■ Поглощение, отражение, проницаемость

Если энергия излучения или направленный поток излучения попадает на поверхность тела, некоторая часть её отражается, некоторая часть проходит через тело, а часть поглощается.

В общем случае можно записать соотношение :

А + Т + R = 1,

где А — характеризует поглощение, R — характеризует отражение, Т — характеризует прохождение лучей.

Для большинства твердых и жидких тел, которые можно считать практически непроходимыми для лучей это соотношение имеет вид:

А + R = 1.

Для газов действительно соотношение :

А + T = 1.

В технической практике значения коэффициентов А, Т, R зависят от разных факторов, например, от свойств тела, его температуры, длин попадающих на тело волн и т.д. В частности, отражение лучистой энергии от поверхности тела зависит от свойств поверхности тела. Если неравномерность поверхности тела значительно меньше чем длина волны, такое тело можно считать зеркальным с максимальными отражающими способностями и наоборот.

■ Теплообмен излучением (Закон Стефана-Больцмана)

Основное соотношение теплообмена излучением, определяющее интегральный поток энергии для всех длин волн выглядит следующим образом:

Е л = ä . ( T /100) 4 ,

где Е л — излучение 1 м 2 абсолютно чёрного тела (Вт/м 2 );

ä — постоянная излучения абсолютно черного тела (5,68 Вт/(м 2 . К 4 ));

Т — температура излучающего тела в К ( t , °С + 273).

Закон Стефана-Больцмана в виде:

Е л = å . ä . ( T /100) 4

является основным соотношением теплообмена излучением для практического применения.

Поскольку лучистый теплообмен взаимообусловлен, то и более холодное тело будет излучать согласно приведенной выше формуле. Теплообмен между двумя телами равен разности значений излучений обоих тел. В случае двух тел имеющих площади равные 1 м 2 и находящихся бесконечно близко друг к другу (облучают только друг друга) величина теплообмена равнa:

Q = å 1 . ä . ( T 1 /100) 4 - å 2 . ä . ( T 2 /100) 4 .

Для практических целей (для оценки) теплоотдачу излучающих тел определяем по формуле :

Q = S 1 . å 1 . ä . ( T 1 /100) 4 - S 2 . å 2 . ä . ( T 2 /100) 4 ,

где Q — результирующая энергия лучистого теплообмена двух тел;

S 1 , S 2 — площадь поверхности излучающих тел в м 2 ;

å 1 , å 2 — коэффициенты эмиссий излучающих тел (степень черноты);

ä — константа, равная 5,685,68 Вт/(м 2 . К 4 );

T 1 — температура поверхности излучающего тела в градусах Кельвина (K);

T 2 — температура среды (помещения) в К.

Примечание. Условие применения соотношения теплообмена излучением при нормальной температуре в помещении: температура излучающего тела должна быть не менее 150 °С (423 К).

Например, энергия переданная излучением при температуре среды +27 °С (З00 К) для оксидированной трубы с алюминий-кремниевым покрытием ( å = 0,95) длиной 1 м, диаметром ∅ = 100 мм ( S = 0,314 м 2 ) и температурой +400 °С (673 К) равняется :

Q = 0,314 . 0,95 . 5,68 . [(673/100) 4 - (300/100) 4 ] = 3339 Вт.

Та же труба при +800 °С излучает 18800 Вт.

■ Между длиной волны максимума излучения и температурой (в градусах Кельвина) существует строгая зависимость ( закон Вина ):

ë макс . Т = Const = 2896 . 10 -6 .

■ Распределение энергии излучения по различным направлениям описывается законом Ламберта :

Количество энергии dE ø , излучаемой элементом поверхности dS 1 в направлении элемента dS 2 , равно количеству энергии излучаемой в направлении нормали dE n , умноженному на величину телесного угла d ù и косинуса угла ϕ между нормалями к этим элементам:

dE ø = d ù . dE n . cos ϕ .

Примечание. Закон Ламберта точно соблюдается лишь для абсолютно черных тел.

Из закона Ламберта следует, что излучательная способность в направлении нормали E n пропорционально в ð раз меньше полной излучательной способности:

E n = E / ð = С 0 . å . ( Т /100) 4 /( С . ð ).

Согласно закону квадратов расстояний плотность потока для точечного источника (источника малых размеров) равнa:

E r = E 1 /r 2 ,

где E 1 — плотность потока на расстоянии единицы длины от излучателя.

Для протяженного источника показатель степени r уменьшается от 2 до 0 при увеличении размеров источника от 0 до бесконечности. В частности, для линейного источника (размеры источника соизмеримы с расстоянием от источника к облучаемому объекту) этот показатель степени равен 1.

Примечание. Коэффициент С зависит от конструкции излучателя.

■ Закон Планка устанавливает зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры Т и длины волны ë .

Е 0 ë = 2 . ð . С 1 . ë -5 /(е С 2 /( ë Т) - 1),

где С 1 — постоянная, равная 5,944 . 10 -17 Вт/м 2 ;

С 2 = 1,438810 -2 мК.

II.3.2. Отопление с помощью излучателей

Рассмотрим объект тех же параметров, что и в случае применения конвективной централизованной системы, но предложим для отопления лучистые обогреватели. В данном случае система отопления будет состоять из децентрализованных источников энергии, которыми являются излучатели и приёмником энергии, которым являются элементы здания, станки и сам

человек. Энергия вырабатывается на месте использования и подается в рабочую зону без промежуточных носителей, исключая тем самим потери по пути поставки. Электромагнитная волна передаётся от излучателя к элементам здания практически прямолинейно с незначительными потерями к которым приводят абсорбция и отражения. Поглощенная энергия волны на элементах преобразуется в тепловую энергию. Таким образом, согретые поверхности элементов здания и предметов в помещении согревают воздух. При этом температура теплоощущения всегда выше температуры воздуха в объеме помещения, так как часть энергии человек получает не от соприкосновения с воздухом, а посредством излучения. Чтобы лучше понять данный феномен вспомните один из солнечных дней проведённых Вами на пляже. Светит ли солнце или оно на короткое время закрыто тучами температура воздуха практически не успевает измениться. Но как при этом меняется ощущение комфортности! Получение или неполучение определённого количества лучевой энергии воспринимается как изменение температуры. Это так и есть, если учесть, что в данном случае эффективную температуру теплоощущения формируют температура воздуха и лучистая температура.

Данный процесс можно описать формулой:

t эф = t в + t л , °C,

где t эф — температура теплоощущения человека;

t в — температура воздуха;

t л — добавка к температуре, образованная лучистым потоком, равняющаяся:

t л = I л . 0,0716,

где I л — это интенсивность потока, а число 0,0716 — это опытным путем полученная константа. Согласно этому равенству, лучистый поток с интенсивностью 100 Вт/м 2 образует ощущаемую добавку температуры от излучения в размере 7,16 °C.

Это значит, что для результирующей комфортной температуры +18 °С при лучистом потоке 100 Вт/м 2 , достаточно температуры воздуха в +10,84 °С (!!!):

t эф = t в + I л . 0,072;

18 °C = t в + 100(Вт/м 2 ) . 0,0716(°C . м 2 /Вт -1 );

t в = 18 °C - 7,2 °C.

Отсюда следует, что температура воздуха будет:

t в = 10,8 °C.

Разница значений температуры воздуха на этом графике как раз и определяет экономию энергии при отоплении.

Продолжение...

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