Каждый из нас в повседневной жизни принимает решения, которые имеют важнейшее значение для окружающей среды. Jaremy Rifkin

В прошлом номере мы классифицировали газовые лучистые обогреватели на три вида: светлые, темные, супертемные. В условиях Украины для отопления промышленных зданий в основном нашли применения светлые и темные излучатели. При этом даже специалисты избегают ответа на вопрос об принципиальных отличиях этих двух типов излучателей, о способах, условиях и местах их применения.

II.9. Различия между

ИТГО и ГИИ

Каковы различия между типами излучателей? Как и на что влияют эти различия?

Справка: Светлые излучатели (ГИИ) были разработаны в 20-е годы прошлого века. Распределение их излучения конструктивно реализовано так, что пространственное распространение лучей — ядро этого излучения находится в геометрических пределах 60-90 °С.

Темные излучатели (ИТГО) для отопления промышленных зданий начали внедряться в конце 60-х — начале 70-х годов ХХ в. Ядро излучения ИТГО находится в пределах 90-120 °С.

Почему же, имея такую простую, легкую, эффективную систему отопления как светлые излучатели, инженеры не успокоились на достигнутом и в последствии изобрели более громоздкие, более дорогие темные и супертемные излучатели, которые по энергетическим параметрам несколько уступают ГИИ?

Что это, регресс? Чем вызвано появление темных излучателей?

Для полномасштабного анализа основных различий между обоими типами устройств установим критерии

по которым будет производиться сравнение. Основные параметры излучателей приведены в таблицах предыдущей публикации. Выделим среди них главные:

а) температуру на поверхности излучателя и связанные с ней:

❏ коэфициент лучистой эффективности (лучистый КПД);

❏ длину волны максимума излучения;

❏ гигиенический аспект связанный с длиной волны;

❏ распределение энергии по спектру ;

❏ гигиенический аспект связанный с распределением энергии по спектру;

б) экологический аспект:

❏ выделение вредных веществ в атмосферу;

❏ дымоотвод и гигиенический аспект связанный с его отсутствием ;

в) возможности и условия использования разных типов излучателей.

Проанализируем приведенные в материале прошлого номера журнала таблицы. («С.О.К», № 3, 2007).

Светлые излучатели энергетически действительно несколько эффективнее темных. У них выше коэффициент лучистый КПД. Но, следует заметить, что на рынке излучателей, не это главное, поскольку большинство мирового рынка газовых систем лучистого отопления (ГСЛО) применяемых в объемных зданиях (промышленных, культовых, спортивных и т.д.) в последние 15-20 лет принадлежит темным обогревателям.

Чем же вызвано такое распределение рынка?

❏ Во-первых: новыми гигиеническими требованиями к микроклимату помещений!

❏ Во-вторых: параметрами ИТГО, позволившими удовлетворять эти требования.

Следует отметить, что изначально ГИИ предназначались для технологических целей и лишь впоследствии

приобрели известность как эффективное отопительное оборудование! Но, согласитесь, что имеются существенные различия требований к устройствам предназначенным для технологического использования и к устройствам используемым для обеспечения комфортных условий работы человека.

В настоящее время в мире наблюдается оправданная тенденция использовать светлые излучатели для целей первоначального назначения, т.е. для решения технологических задач сушки и размораживания различных материалов, иными словами для областей применения, где присутствие человека ограничено.

II.9.1. Лучевая эффективность излучателей

Тепловая энергия генерируемая излучателем распределяется на два вида: конвективную и лучистую. При этом отношение лучевой энергии к тепловой назовем лучевой эффективностью излучателя или лучистым КПД.

В зависимости от конструкции и концепции темные излучатели имеют лучевой КПД 45...65%.

Некоторые фирмы поставщики светлых излучателей для аргументации выгодности применения светлых излучателей часто приводят «заоблачные» значения лучистой эффективности, даже до 80-90%.

Это неправдивая информация и доказательство этому очень простое. Если учитывать, что при сгорании природного газа при атмосферном давлении в факеле можно получить температуру не более +2010 °С (при идеальном соотношении воздух/газ = 10 : 1, á = 1), то при коэффициенте избытка воздуха á = 1,1 высшая температура горения равняется примерно 1890 °С. При температуре воздуха на высоте подвески излучателей равной +20 °С на поверхности керамических пластин установится средняя температура между температурой горения и температурой воздуха, а именно: (1890 + 20) / 2 = 955 °С.

Исходя из этого, мы можем посчитать какая часть энергии используется на конвективный обогрев дымовых газов и уходит «под потолок» вместе с ними. Расчёт выполним для случая сгорания 1 м 3 газа (при сгорании 1 м 3 газа теплотворной способности 35 МДж выделяется примерно 9,7 кВт энергии).

(955 - 20) °С . (10 . 1,1+1) м 3 .

. 0,34 Вт/(°С . м 3 ) = 3815 Вт.

Это значит, что из каждых выработанных светлым излучателем 9,7 кВт энергии вместе с уходящими выхлопными газами под потолком в виде конвективной составляющей окажется 39% энергии. Лучистый КПД светлых излучателей в данном расчетном случае не может быть выше 61%.

Реальный лучистый КПД у ГИИ находится на уровне 60-65%.

II.9.2. Локальное отопление

В связи с вышеприведенными рассуждениями и в связи с требованиями ГОСТ 12.1.005-88 необходимо ответить на вопрос о применении лучистых обогревателей для создания локального отопления.

Действительно в той части Западной Европы, где расчетные температуры находятся в пределах (-5...-8 °С) и разрешена максимальная плотность облучения 200 Вт/м 2 , локально, на определенном месте удается получить достаточно ощутимую добавку «лучистой» температуры к температуре воздуха и итоговую температуру равняющуюся:

t эф = t в + I л . 0,0716 = = -5° С+ 200 Вт/м 2 . 0,0716 (° С . м 2 /Вт) = = +9,3° С.

Попробуем тоже самое просчитать для условий Украины:

t эф = t в + I л . 0,0716 = = -23 °С + 140 Вт/м 2 . 0,0716 (° С . м 2 /Вт) = -13° С.

Отсюда вывод: в климатических условиях Украины создание локальных «островов тепла» с комфортной температурой в промышленных зданиях невозможно без нарушения гигиенических норм! Если же где-то имеются предприятия, на которых получены требуемые положительные температуры, то за них заплачено переоблучением площадей и как следствие здоровьем людей! В будущем же это, при условии наведения порядка в области контроля за гигиеной труда, уже само по себе способно стать негативным экономическим фактором для предприятий (штрафы, реконструкции, больничные и т.д).

II.10. Третье «Э» — экология

В предыдущих публикациях мы затронули темы энергетической и экономической эффективности при отоплении промышленных зданий лучистыми обогревателями. Темой публикации в этом и в следующ ем ном е рах журнала является как общая экология, так и микроклиматические и гигиенические условия в промышленных помещениях в связи с лучистым отоплением.

При рассмотрении экологического аспекта связанного с отоплением ИК-излучателями затронем проблему

выбросов вредных веществ в атмосферу, уменьшения этих выбросов, а также влияние дымовых газов на микроклиматические условия промышленных зданий при применении разных типов излучателей.

II.10.1. Выбросы вредных веществ в атмосферу. Методы их снижения в ИТГО

Как известно, при полном сжигании природного газа вырабатывается вода и двуокись углерода. Неполнота сгорания приводит к появлению в выбросах угарного газа СО. Кроме этого в выхлопных газах имеются и другие примеси, особо важным из которых являются окиси азота NO x . Рассмотрим способы снижения концентраций СО и NO x в выбросах продуктов сгорания природного газа.

Тенденция изменения концентраций СО и NO x противоходна. При попытке уменьшить концентрацию NO x

концентрация СО повышается и наоборот. У светлых инфрарасных излучателей, которые оснащены довольно простыми по конструкции инжекционными горелками естественный уровень NO x в выбросах ниже чем у темных горелок и достигает примерно 20-50 мг/м 3 . Выбросы же оксида углерода ГИИ различных фирм колеблются от 100 мг\м 3 до предельно разрешимых 250 мг/м 3 (EN 419-1). Автор не зарегистрировал в практических образцах ГИИ технических и технологических решений и идей для понижения уровня угарного газа. Возможно потому, что их внедрение наносит существенный удар по стоимости оборудования.

Уровни эмиссий выхлопных газов «темных» трубчатых излучателей несколько другие. Измеряемые уровни СО у ИТГО находятся в пределах от 0 мг/м 3 до предельно допустимых 100 мг/м 3 (EN 416-1), уровни NO x находятся в границах 80-150 мг/м 3 . Уровень эмиссий у ИТГО разных производителей колеблется в п ределах установленных соответствующими стандартами и зависит от внедренных технических решений, know-how и качества комплектующих компонентов.

В ИК газовых трубчатых излучателях для того чтобы снизить уровни эмиссий NO x , применимы несколько способов, которые влияют на условия горения газа и следовательно изменяют концентрации окислов азота.

Сутью понижения концентраций окислов азота, учитывая то, что образование NO x — энергозатратный процес, является понижение температуры пламени в факеле и температуры самой камеры сгорания, а также сокращение времени пребывания используемого для горения воздуха в пространстве высоких температур.

N + O x + тепловая энергия = NO x .

Эта схематическая, упрощенная формула показывает, что интенсивность образования NO x зависит от тепловой энергии, которая, как известно, в значительной мере сосредоточена в факеле горения, где и образуются окислы азота.

Для понижения температуры факела пламени одним из самых эффективных способов является рециркуляция отработанных газов, которая, кроме понижения температуры, вызывает также понижение парциального давления кислорода — оба эти фактора подавляют образование NO x . Для понижения температуры факела применяется ещё один метод, при котором в область самых высоких температур (в

излучающей трубе со стороны факела) вкладываются охлаждающие пламя металлические конструктивные элементы. Один конец данного элемента находится в области максимальных температур, а другой вне факела. Тепло распространяется вдоль металлического элемента и частично уводится за пределы факела.

При использовании комбинации из трех факторов, а именно: рекуперации и рециркуляции отработанных газов, наличия отводящего тепло элемента и головки горелки, изготовленной из специального алюминиевого сплава, можно получить NO x на уровне 65-80 мг/м 3 , при наличии СО на уровне 0-10 мг/м 3 .

Рекуперация применяется для увеличения температуры воздуха смешиваемого с газом, что приводит к полному сгоранию газа и к понижению уровня СО в эмисиях.

На рынке Украины представлены экологически выгодные изделия нескольких мировых фирм. В условиях

постоянного ужесточения природоохранных мер за таким отопительным оборудованием будущее! С учетом мировых тенденций экологически щадящее оборудование в будущем станет дополнительным источником экономии средств для Ваших предприятий.

II.10.2. Необходимость вентиляции помещений при использовании ГИИ

Конструкция светлых горелок не дает возможности самостоятельно выводить продукты сгорания из помещения. У темных же такая возможность конструктивно заложена, и поэтому в Украине вывод продуктов сгорания от темных горелок предписан в обязательном порядке.

Применение светлых в помещениях украинских предприятий обуславливается трёхкратным принудительным воздухообменом (см. ДБН В.2.5-20-2001 п. 6.92*.)

Но часто там, где отсутствует контроль проектов или где контроль корумпирован, фирмы производители устанавливают ГИИ с игнорированием предписаний норм.

Правомерно ли это? Докажу, что нет.

Справка: ДБН В.2.5.-20-2001 п.6.92: «В помещениях обогреваемых установками ГИИ, должна обеспечиваться трёхкратная общеобменная вентиляция, а в помещениях обогреваемых ИТГО, вентиляция должна отвечать требованиям строительных норм и правилам по размещению в них соответствующих производств.»... и далее по тексту.

Отсутствие дымоотвода от ГИИ приводит к тому, что для компенсации потерь тепла, связанных с вентиляцией необходимо увеличивать общую инсталированную мощность отопления, что приводит к значительному увеличению расхода газа. Например, при трёхкратном воздухообмене мощность устанавливаемая в помещение увеличивается, в среднем, почти в 2 раза, а потребление газа в 1,5-1,7 раза.

Примечание: На подавляющем большинстве предприятий Украины, где установлены ГИИ игнорируются требования ДБН В.2.5.-20-2001 п.6.92.

II.10.3. Насколько важен дымоотвод из помещения? Как выхлопные газы влияют на здоровье?

Неотведенные из помещения продукты сгорания приводят к:

❏ аккумуляции их элементами зданий;

❏ увеличению влажности в помещении;

❏ попаданию токсичного СО в помещение*;

❏ попаданию токсичных NO x в помещение**;

❏ увеличению градиента температур в помещении и появления дополнительной тяги (сквозняков);

❏ выбросу 2,25 кг воды на каждый кг сжигаемого газа (1 м 3 газа весит примерно 0.8 кг);

❏ выбросу 2,75 кг углекислого газа на каждый кг сжигаемого природного газа***;

❏ синергическим эфектам влияния на организм человека.

Справка. Темные горелки конструктивно имеют возможность дымоотвода за пределы помещения и возможность подачи воздуха для горения из-за пределов помещений.

II.10.4. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в рабочей зоне

При наличии в воздухе некоторого количества вредных веществ они оказывают на организм определенное негативное воздействие. Результат этого воздействия применительно к среднему человеку в целом зависит от трех факторов:

а) тип вредного вещества;

б) концентрации его в воздухе, мг/м 3 ;

в) продолжительности воздействия.

При одинаковой концентрации в воздухе воздействие различных веществ может быть крайне разным по уровню и по времени воздействия. Одни вещества могут вызывать очень быстрое ухудшение самочувствия человека, а действие других может проявиться спустя значительное время.

Исследованиями гигиенистов установлены максимальные значения концентраций различных веществ, которые можно допустить в рабочей зоне помещений без ущерба для здоровья человека. Эти ко нцентрации вредных веществ называются предельно-допустимыми концентрациями в рабочей зоне (ПДК рз ).

Справка. Предельно-допустимая концентрация вредного вещества в рабочей зоне — это такая концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или при другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.

Кроме ПДК рабочей зоны гигиенистами установлены также предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе населенных мест: максимально-разовые ПДК мр . Эти концентрации используются при решении вопросов охраны окружающего воздуха. Значения ПДК рз для большого количества вредных веществ приведены в ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Таким образом, ПДК рз это максимальное значение концентрации вредного вещества, которое можно допустить в рабочей зоне помещения.

Вредные вещества по-разному воздействуют на организм человека: одни являются кровяными ядами (угарный газ), другие обладают раздражающим действием и воздействуют на легкие (NO x ), третьи воздействуют на общее состояние организма (СО 2 ). При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ сумма отношений фактических концентраций каждого из них (С 1 , С 2 ... С n ) в воздухе к их ПДК (ПДК 1 ,ПДК 2 ...ПДК n ) не должна превышать единицы:

II.10.5. Основные виды вредностей и их влияние на самочувствие человека

ГИИ выделяют в помещения промышленных зданий следующие вредности:

а) углекислый газ СО 2 ;

б) угарный газ (кровяной яд) СО;

в) окислы азота NO x ;

г) влагу (и связанное с ней скрытое тепло).

Поступление других вредностей от излучателей маловероятно, но в связи с протеканием какого-либо технологиче ского процесса может иметь место.

Вредность влияния на организм человека угарного газа и окислов азота заинтересован н ым специалистам известна. Что касается диоксида углерода, то об этом информации меньше. Считается что в промышленной среде избежать его влияния невозможно. Мы же не будем обходить этот вопрос стороной и попробуем изучить его подробно.

Углекислый газ. Молекулярная масса СО 2 равна 46, то есть этот газ существенно тяжелее воздуха, для которого М= 29. Соответственно, плотность СО 2 при 20 °С равна 1,9 кг/м 3 против 1,2 кг/м 3 для воздуха.

Хотя предельно допустимые уровни углекислого газа в промышленных зданиях не нормируются и хотя углекислый газ в небольших концентрациях не является ядовитым и вредным для человека, следует отметить, что при высоких концентрациях СО 2 наблюдается его негативное воздействие на человеческий организм. В прцессе горении газа используется кислород, поэтому наличие углекислого газа является свидетельством понижения концентрации кислорода, что негативно сказывается на самочувствии человека. Но не только поэтому углекислый газ относят к вредным выделениям. В общественных зданиях и для диоксида углерода предписаны предельно допустимые концентрации. Следует заметить, что а тмосферный воздух в черте города содержит не менее 1 г/м 3 СО 2 .

ПДК для углекислого газа, в отличие от других вредных веществ, обычно указывают не в мг/м 3 , а в л/м 3 . В некоторой литературе концентрацию СО 2 указывают в процентах по объему. Учитывая, что 1 м 3 равен 1000 л, 1 л/м 3 равен 0,1% по объему или 1,9 г/м 3 . Значения ПДК для СО 2 составляют от 0,7 л/м 3 для больниц до 2 л/м 3 для магазинов и и.д. В табл. 3 указано влияние повышенных концентраций СО 2 на человеческий организм. Для удобства значения приводятся в г/м 3 .

Поскольку ПДК для углекислого газа не нормируется, величины являются справочными. Но несмотря на это, играть в азартные игры со здоровьем людей глубоко безнравственно с любой точки зрения и невзирая на любые мотивы и позиции!

Примечание: Специалисты отмечают, что критерии комфортности (включая запах), вероятно, будут выполнены, если воздухообмен достаточен для поддержания концетрации углекислого газа внутри помещения не более чем на 1250 мг/м 3 превышает концетрацию углекислого газа в наружном воздухе. Исследования, касающиеся влияния концентрации углекислоты, подтверждают приведенные выше выводы.

Около половины полученных результатов позволяют предположить, что риск возникновения «синдрома

дискомфортного здания» значительно снижается, если концентрация углекислого газа не превышает 0,08% (800 частей на миллион).

Учитывая специфику промышленной среды и времени пребывания персонала в рабочей зоне (8 часов в сутки) в вопросе загрязнения воздуха СО 2 предлагаю исходить не из уровня комфортности, а исходя из уровня вредности этого вещества для здоровья, т.е. из значений п. 2 табл. 3 .

II.10.6. Расчет необходимости вентиляции при применении ГИИ

Сколько же вредных веществ выделяет в отапливаемое пространство, например, 50 кВт ГИИ?

Для ответа на этот вопрос отметим некоторые известные факты:

❏ удельный вес природного газа равняется ≈ 0,8 кг/м 3 ;

❏ для выработки 50 кВт энергии при удельной теплоемкости газа 35 МДж\м 3 необходимо сжечь примерно 5,16 м 3 газа;

❏ в среднем в условиях Украины за 8-часовую смену ГИИ суммарно отработает 5-6 часов;

❏ при сжигании одного килограмма газа выделяется 2,75 кг СО 2 и 2,25 кг Н 2 О. Это значит, что 50 кВт излучатель в час вырабатывает:

❚ 11,4 кг СО 2 ;

❚ 9,3 кг воды;

❏ стандартные горелки ГИИ в стационарном режиме в исправном состоянии генерируют в помещение:

❚ ≈ 240 м 3 /час выхлопных газов (среднее значение в час за смену составляет 240 . 5 ч / 8 ч = 150 м 3 );

❚ ≈ 100-250 мг/м 3 СО (общее количество 24000...60000 мг/час непрерывной работы для одного 50 кВт

ГИИ. Среднее значение в течение смены 15000...37500 мг/час);

❚ ≈ 20-50 мг/м 3 NO x (общее количество 4800...12000 мг/час. Среднее значение в течение смены 3000...

7500 мг/час);

❏ при естественном воздухообмене 50 кВт ГИИ в климатических условиях Украины реально обогревает

≈ 2000...2500 м 3 объёма промышленных зданий (просто подтвердить расчетами);

❏ кратность естественного воздухообмена в промышленных зданиях находится на уровне ≈ 0,5-0,7 (т.е. каждый час выбросы разбавляются естественным путём 2500 м 3 . 0,7 = 1750 м 3 поступающего в помещение воздуха).

Без учета всех остальных загрязняющих веществ имеющихся в атмосфере помещений (пыль, влага, технологические выделения (например от сварки), которые, безусловно вносят свой вклад в загрязнение воздуха рабочей зоны и иногда вызыва е т синергический эффект от совместного воздействия вредностей на рецепторы), рассмотрим состояние воздуха в помещении, в которое сбрасываются выхлопные газы ГИИ.

Формула (1) описывает условие при котором в помещении не требуется принудительная вентиляция. Если сумма соотношений всех вредностей к их предельно допустимым концентрациям не превышает единицы, то вентиляция не нужна. Выполняется ли это условие при работе ГИИ?

Исходя из самых благоприятных условий для режима функционирования ГИИ произведем оответствующий расчет.

Условия для расчета:

❏ использование минимальных значений концентраций вредностей;

❏ использование минимального времени функционирования в течение смены;

❏ использование максимальной естественной кратности воздухообмена;

❏ равномерное распределение вредностей по всему объему.

Примечание: СО 2 , например, в 1,6 раза тяжелее воздуха и после охлаждения сосредотачивается в рабочей зоне.

Расчет по СО:

Расчет по NO x :

Расчет по СО 2 : =

0,43 + 0,25 + 1,98 = 2,66 > 1.

Даже с учётом того, что выбраны самые «мягкие», щадящие параметры функционирования ГИИ и не учитывались выделения вредностей в производственном цикле, для обеспечения выполнения гигиенических условий по качеству воздуха в зданиях где применяются ГИИ необходима вентиляция кратностью больше 2,66!

Не подтверждает ли этот расчет положений ДБН В.2.5-20-2001 п. 6.92 о необходимости 3-кратного воздухообмена? Понятно, что, в связи с подачей воздуха для вентиляции, значительно увеличивается тепловая нагрузка и расход энергоносителя, приводящие к дальнейшим дополнительным эмиссиям в помещения и это делает применение ИТГО не только вредным для здоровья, но и дорогим.

Примечание: на сайтах некоторых фирм представляющих ГИИ в Украине приводятся значения о концентрации СО в выхлопных газах равные 250 мг/м 3 . На основании таких значений эмиссии СО, даже без учёта концентраций СО 2 и NO x ,

согласно применение светлых излучателей без принудительной вентиляции необходимо запретить. Но, как ни странно, в Украине автору известны десятки случаев инсталляций ГИИ без вентиляции и лишь один случай, когда СЭС г. Мариуполя в 2005 г. высказалась против установки светлых излучателей на одном из предприятий города.

Ради будущего нас всех и в особенности тех, кто находится у станков по 8 часов в день хотелось бы изменить положение с гигиеной рабочих зон.

Продолжение...

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