Солнечное и Лучистое отопление загородного дома

В прошлом строители, пользуясь народными традициями или старыми архитектурными приемами, удачно вписывали загородные дома в окружающий ландшафт и достигали органичного слияния дома с природным пространством.

Дома были тесно связаны с окружающими природными системами, зависели от местной энергии.

Выбор системы отопления

При выборе системы отопления загородного дома обязательно следует учитывать климатическую зону. Зачастую в проектах систем отопления загородных домов для средней полосы не учитывается возможность использования солнечной энергии для отопления. Происходит это, потому что многие проектировщики систем отопления не верят в возможность создания солнечной отопительной системы для районов средней полосы с большим числом облачных дней.

Солнечная энергия даже зимой может легко использоваться для отопления загородного дома. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечное отопление помещений загородного дома позволит не включать дополнительного отопления. Это дает возможность сэкономить часть энергии, а соответственно, и деньги.

Для загородных домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилья солнечное отопление особенно удобно зимой, так как исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая их разрушение от конденсации влаги и плесени.

Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы могут существенно снизиться. Но можно ли создать проект солнечного отопления загородного дома для районов средней полосы с большим числом облачных дней? До недавнего времени это считалось экономически нецелесообразным.

Все сомнения экспертов были опровергнуты талантливым американским инженером и изобретателем Норманом Б. Саундерсом, разработавшим интегральную систему воздушного отопления, охлаждения и вентиляции для суперсолнечного дома Cliff House.

Описание Cliff House представляет интерес по следующим причинам:

• в этом доме, построенном на холодном и облачном северо-востоке США, достигнуто 100%-ное солнечное отопление простыми и дешевыми средствами;
• дом и все его системы были построены самим владельцем;
• все узлы и конструкции можно изготовить самому.

Ничего необыкновенного в проектировании домов с солнечным отоплением нет. Конечно, вы понимаете, что построить подобный дом в Средней Азии относительно несложно, а на полуострове Таймыр экономически нецелесообразно.

Такие дома существуют и в Европе. Кроме того, есть несколько различных подходов к проектированию. Почему предлагается система солнечного отопления Нормана Саундерса, а не другие, не менее эффективные системы?

Большинство систем солнечного отопления, как правило, весьма сложны и дороги, а поэтому при таком уровне доходов населения, как в России, применяются крайне редко. Можно, конечно, использовать и самые простейшие системы, но они не обеспечат большого запаса мощности.

Солнечное отопительное оборудование для Сliff House можно изготовить самому.

Все солнечное оборудование дома состоит из:

• абсорбера в виде вертикальных жалюзи;
• жидкостного аккумулятора (пластиковых бочек с водой);
• воздушного гравийного аккумулятора;
• двух датчиков температуры, управляющих скоростью двух вентиляторов;
• теплообменника для системы горячего водоснабжения.

Все это смехотворно дешево, но обеспечивает высокую эффективность.

Однако солнечная отопительная установка Cliff House имеет запас мощности 20%, в то время как понадобился бы запас мощности более 50%, поскольку в средней полосе европейской части России достаточно много облачных дней при большей отопительной нагрузке, чем в Бостоне. В наших условиях на сегодняшний день экономически целесообразнее обеспечивать солнечным теплом примерно 70% отопительной нагрузки, но и в этом случае по сочетанию эффективности и качества альтернативы Cliff House нет.

Лучистое отопление

Одним из прогрессивных методов отопления помещений большой площади является лучистое отопление, которое, по сравнению с классическим паровым и газовым отоплением, требует значительно меньших затрат. Экономия достигается как в потреблении сжигаемого топлива, так и в общих, более низких затратах на отопление.

Однако вопреки этой бесспорной выгоде лучистого отопления отношение заказчиков к данному типу отопления пока очень осторожное. Они часто выбирают более традиционные системы отопления, порой не вполне подходящие для больших помещений.

Недоверие заказчиков связано, с одной стороны, с закрепившимся стереотипом – в советское время для отопления промышленных помещений большой площади использовали системы с центральными котельными, а с другой, – с незнанием физического принципа лучистого отопления. К тому же, по правде говоря, разработка проекта лучистого отопления сложнее, и в нем необходимо учитывать множество условий, влияющих на тепловой комфорт человека, находящегося в зоне лучистого отопления.

Попытаемся рассказать подробнее о лучистом отоплении.

Прежде всего, что такое тепло и как человек его чувствует? Как нас учили в школе, температура вещества – это одно из проявлений его энергии, например тепловой вибрации молекул вещества. Эта энергия распространяется в основном тремя способами:

1. Конвекцией, или распространением воздуха.

2. Кондукцией, то есть проводимостью.

3. Электромагнитными волнами, или излучением.

Первый и второй способы передачи энергии – конвекцию и кондукцию – как раз и используют конвекционные тепловоздушные отопительные системы. В этом случае тепловая энергия воздуха, согретого конвекторами или тепловоздушными обменниками, распространяется в пространство постепенной передачей энергии (тепла), причем сам источник энергии охлаждается.

Необходимым условием такого распространения тепла является вещественная среда, так как передача энергии (тепла) происходит при непосредственном соприкасании молекулы вещества с более высокой температурой с молекулой более низкой температуры. Человек в отапливаемом пространстве становится составной частью системы и ощущает тепло как непосредственную тепловую энергию окружающего воздуха и предметов, с которыми соприкасается. Таким образом, для конвекционно отапливаемого пространства действителен закон, согласно которому температура воздуха (tv), согретого конвекторами, выше или равняется температуре окружающих предметов (tр), которые должны быть согреты этим воздухом.

Над другим способом распространения тепловой энергии – излучением – мы часто даже не задумываемся, хотя с ним встречаемся каждый день. Этим способом Солнце передает свою тепловую энергию поверхности Земли, от которой впоследствии нагревается воздух. В данном случае речь идет о передаче тепла электромагнитным излучением определенной длины волны.

Энергия электромагнитного излучения трансформируется в тепло после попадания излучения на поверхность предметов, которые данную энергию поглощают. Здесь действительна физическая симметрия между излучением и поглощением энергии черного тела. Если мы нагреваем тело, оно начинает излучать электромагнитные волны (энергию) в окружающее пространство. Если данная энергия поглощается другим телом, это приводит к нагреванию этого тела, что и используется при лучистом отоплении. В этом случае лучистые отопительные устройства, которые размещают на определенной высоте над полом, излучают электромагнитные волны, которые с очень незначительными потерями проходят через воздух, поглощаются полом, вследствие чего повышается температура пола и предметов, на которые попадает излучение. Согретый таким образом пол нагревает воздух.

Влияние лучистого отопления на человека можно сравнить с прогулкой в солнечный весенний день. Температура воздуха еще не достаточно высокая, однако солнечные лучи уже согревают землю, и человек ощущает их как приятное тепло.

Упомянутое выше равенство между температурами воздуха и предметов в обоих случаях действительно только в домах с качественной теплоизоляцией.

Приведенные свойства можно отобразить следующим образом:

1. Передача тепла конвекцией: tv > tр.

2. Передача тепла: конвекционное тело – согревание воздуха – согревание человека.

3. Передача тепла излучением: tv < tр.

4. Излучающее устройство: согревание предметов и человека – согревание воздуха.

Для того чтобы сравнить эффективность конвекционного и лучистого отопления в типичном промышленном помещении, попробуем проанализировать требования к состоянию теплового комфорта человека и энергетические параметры обеих систем отопления.

Тепловой комфорт

Тепловой комфорт можно определить как приятные ощущения человека в отапливаемом пространстве. На тепловые ощущения человека и его комфорт влияют несколько факторов, из которых самими важными являются:

• температура воздуха tv (°С);
• температура плоскостей, ограничивающих интерьер, – tu (°С);
• скорость перемещения воздуха в помещении – w (ms-1);
• тепловое сопротивление одежды – Rc (m2.K.W-1);
• уровень активности человека – Q (W);
• относительная влажность среды – ф (%).

Температура воздуха в помещении обычно относится к первичным критериям оценки теплового состояния отапливаемого помещения. Этот критерий вместе со скоростью перемещения воздуха определяет конвекционную передачу теплового потока от человека к окружающему пространству.

В обычных отапливаемых домах при температуре 18–20° С допускается движение воздуха не более 0,1 м/с. Идеальное отопление должно было бы обеспечить такое вертикальное распределение воздуха в помещении, при котором температура на уровне высоты головы человека (приблизительно 1,7 м над полом) была бы примерно на 2° С ниже, чем на уровне 10 см над полом.

Значительное влияние на тепловой комфорт человека имеет температура ограничивающих плоскостей помещения, которая должна быть такой, чтобы разница температур стен и пола и температуры воздуха составляла не более 7° С, если человек отдыхает, и не более 10° С, если он работает.

Среднее арифметическое эффективной температуры стен и температуры воздуха в интерьере (ti) можно определить как внутреннюю температуру в помещении. Эта температура измеряется сферическим термометром в центре помещения на высоте 1 м от пола, что соответствует центру тяжести стоящего человека. Значение измерения обычно является нормативным значением для проектирования технологии отопления в помещении.

Если влажность воздуха в помещении варьируется в диапазоне 35–70%, она не влияет на ощущение теплового комфорта человека, так как наличие водяного пара в воздухе также воздействует и на интенсивность испарения влаги с тела человека.

Остальные факторы, влияющие на тепловой комфорт в помещении, можно определить как принадлежащие к более широкому набору микроклиматических условий. К ним относятся:

• частицы пыли в воздухе;
• микроорганизмы или бактерии;
• газы, испарения и запахи разного типа;
• содержание ионов в воздухе.

Оценка потребления энергии

В прошлом оценка потребления энергии на отопление промышленных объектов в соответствующих технических стандартах не устанавливалась и даже не рекомендовалась. Однако предполагается, что в процессе согласования стандартов со стандартами стран ЕС критерии потребления тепла будут нормативно зафиксированы. Потребление энергии для отопления загородного дома оценивают на основе тепловой характеристики объекта qo.

Если действительно соотношение qo < = qo N, объекты удовлетворяют требованиям, в обратном случае они не соответствуют критериям.

При расчете потребления тепла и тепловой характеристики зданий исходят из:

• тепловых потерь, данных стандартом для температуры воздуха внешней среды;
• характеристик смежных строений объекта.

При отоплении загородного дома учитываются тепловые потери объекта и только потом тепловые потери, связанные с инфильтрацией воздуха.

Тепловая характеристика рассчитывается по формуле:

qo = Qb (V. /) – 1 = Qb [V(ti – te)] – 1 (W.m – 3.K – 1),

где qo – тепловая характеристика здания (W.m – 3.K – 1);

Qb – тепловые потери здания (W);

/= (ti – te) – разница температур воздуха внутренней и внешней среды (К);

V – смежные помещения (т"").

Классификация отопительных систем

Отопительная система должна удовлетворять широким комплексным требованиям, которые характеризуются:

• энергетическими требованиями;
• экономической эффективностью;
• экологической обстановкой.

Отопительные системы по источнику тепла разделяются на:

• центральные (котельная на твердом, жидком, газовом топливе);
• децентрализованные (прямообогревающие устройства).

По дистрибьюции тепла отопительные системы делятся на:

• водяные (с горячей, теплой водой, низкотеплотные);
• паровые (среднего и низкого давления).
• тепловоздушные.

По способу передачи тепла отопительные системы бывают:

• конвекционными (отопительные элементы, тепловоздушные, проветривающие и климатизационные устройства);
• лучистыми.

Лучистые системы, в свою очередь, разделяются на следующие группы:

• светлые излучатели;
• темные;
• супертемные (излучатели, излучающие панели).

Выбор отопительной системы в значительной мере зависит от следующих факторов:

• выбор источника тепла и типа топлива;
• способ дистрибьюции тепла;
• характер отапливаемого помещения;
• способ передачи тепла в помещении.

Исходя из вышеприведенных требований, решение по использованию того или иного типа отопительных систем следует принимать, опираясь на потребности пользователя, что гарантирует высокое эксплуатационное качество в отапливаемом помещении.

Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что вопреки необходимости решать эти проблемы комплексно доминирующим остается способ передачи тепла от отапливающего элемента или панели в отапливаемое пространство помещения с использованием конвекционной или лучистой системы.

Различный физический принцип передачи тепла и вещества, в случае конвекционного и лучистого отопления, предполагает, что при расчете потребности в тепле для отопления необходимо учитывать все физические законы, которые характеризуют передачу тепла конвекцией и излучением.

Конвекция

При использовании систем конвекционного отопления температура стен (tu) ниже температуры воздуха (tv). tu тем ниже tv, чем хуже теплоизоляционные свойства строительных материалов, использовавшихся при возведении дома, а также, чем ниже внешняя температура (te).

Общие тепловые потери объекта (Qс) равняются сумме тепловых потерь конструкцией (Qp) и тепловых потерь, связанных с вентиляцией (Qv):

Qс = Qp + Qv

Тепловые потери через стены определяются из основной тепловой потери (Qо) суммированием с коэффициентами по следующему соотношению:

QР = Qо.(1 + p1 + р2),

где р1 – коэффициент на компенсацию влияния холодных стен; р2 – коэффициент на ускорение нагрева.

Основная тепловая потеря конструкции объекта (Qo) рассчитывается как сумма тепловых потерь отдельных элементов конструкции:

Qo = E [kj • Sj • (ti – te)],

где kj – коэффициент прохождения тепла строительной конструкцией (W.m – 3.K – 1);

Sj – охлаждающаяся плоскость строительной конструкции (m2).

Тепловая потеря при натуральном проветривании рассчитывается по следующей формуле:

Qv = p. c. V. h – 1. (ti – te) : 3600,

где p – плотность воздуха (кg.m – 3);

c – специфическая тепловая емкость воздуха

(J.kg – 1.K – 1);

V – отапливаемый объем объекта (m3);

h – 1 – обмен воздуха в объекте за 1 час.

В помещениях с высокими потолками необходимо учитывать повышение температуры воздуха с увеличением высоты и расчетной температуры (ti) в зависимости от высоты объекта (h). Таким образом, учитывается температурный градиент:

/: /= 0.3 K.m – 1

Потребность в тепле для отопления с помощью центральной системы отопления выше на 5–15%, чем потребность в тепле при децентрализованном отоплении. Приведенная процентная разница представляет коррекцию на потери в системе доставки тепла.

Лучистая отопительная система

При лучистом отоплении температура воздуха (tv) ниже температуры окружающих плоскостей (tu). При этом tv тем ниже tu, чем хуже теплоизоляционные свойства строительных конструкций и чем ниже внешняя температура (te).

В данном случае действительно обратное неравенство, чем при конвекционном отоплении.

Расчет потребности в тепле для определения тепловой мощности излучателей производится из системы трех линейных уравнений теплового равновесия помещения. При учитывании только одной охлаждающейся плоскости – пола общая плотность лучистого потока), излучаемая излучателями и попадающая на охлаждаемую плоскость пола, устанавливается отношением:

Qс = (1 – e). Фс. Ys • Qp : Sс (W.m – 2).

Неизвестные величины – общая плотность лучистого потока – qс (W.m – 2), средняя температура воздуха внутри помещения – tv (° С) и температура облучаемой горизонтальной проекции площади – tс (° С). Они рассчитываются из трех уравнений теплового равновесия отапливаемого пространства с учетом человека, находящегося в нем, следующим образом:

1. Уравнения теплового баланса облучаемой горизонтальной площади (Sс):

qc = qsc + qkc + qec (W m – 2)

qc = asc (tс – tt) + akc •(tc – tV) + /. (tc – tec) (W.m – 2), где

ts – поверхностная температура плоскости Sс;

tt – средняя поверхностная температура стен;

tv – средняя температура воздуха в интерьере;

tec – температура почвы под полом помещения (при отсутствии подвальных помещений);

Sc – охлаждаемая площадь пола.

2. Уравнение теплового баланса внутреннего воздуха:

p.c. (V : Sc)•(tv – te) = akc • (tc – tv) (W.m – 2).

3. Уравнение теплового комфорта для человека при использовании излучателей:

tv + 0,5. tc + 0,5. tt + qr : 5,25 = 2.tg (°С),

где tg – результирующая температура ощущения.

Для этого уравнения еще необходимо определить интенсивность облучения человеческого тела (qг), исходя из отношения:

qr = qc • (Ф : Фc)

Из данной системы уравнений будут определены неизвестные величины: tс, tу и общая плотность потока излучения (qс).

Из уже известной плотности потока излучения (qс) рассчитывается общая тепловая мощность излучателей:

QP = qc • Sc • (1 – e) – 1 • Фc – 1 • ns – 1,

где e – относительная поглощаемость слоем воздуха;

a – коэффициент прохождения тепла (SРТ);

asc – коэффициент прохождения тепла излучением с поверхности пола;

akc – коэффициент прохождения тепла на поверхности охлаждаемой плоскости конвекцией;

Фc – пропорция облучения горизонтальной проекции плоскости Sc-излучателями;

Фr – пропорция облучения человеческого тела;

ns – лучевая эффективность излучателя (данные изготовителя).

Электромагнитное излучение

Излучение – это передача электромагнитной энергии в виде поперечных волн. Источником энергии являются возбужденные частицы, появляющиеся при возвращении возбужденной частицы на основной энергетический уровень. Данное возвращение сопровождается эмиссией фотонов излучения.

Процесс перехода на уровни может отличаться, и его проявления могут быть различными. Если процесс перехода инициируется столкновениями молекул, которые характеризуют температуру тела, то излучение обозначается как тепловое. Излучение в таком случае может иметь как корпускулярный, так и волновой характер. Квантовые корпускулярные свойства характерны для кратковолнового излучения, а волновые – для длинноволновых излучений. Электромагнитные излучения различных видов похожи друг на друга, но отличаются длиной волны и действием.

Тепловое излучение определяется как та часть спектра, которая характеризируется волновой длиной от 10–7 м до 10–4 м. В этой области находится и диапазон света с длиной волны 3,9.10–7 до 7,8.10–7 м. Большинство твердых и жидких веществ излучает на всех длинах волн от 0 и до бесконечности и имеет полный спектр излучения. Твердые вещества имеют непрерывный спектр излучения. Излучение зависит от вида вещества, из которого состоит тело, его температуры и поверхности.

Излучение тел с растущей температурой резко возрастает, при этом изменяется и спектр излучаемых волн. Вместе с ростом плотности потока излучения максимум спектральной плотности передвигается в область более коротких волн (приводимая зависимость известна как закон Вена). Таким образом повышается величина излучаемой энергии при коротких волнах. По этой причине при высоких температурах излучение доминирует над конвекцией и проводимостью.

При низких температурах наблюдается обратное явление. В самом излучении участвуют только тончайшие слои на поверхности тела. Тепло, распространяемое излучением, в отличие от тепла, распространяемого конвекцией и кондукцией, по своим параметрам и тепловому действию приближается к свойствам природного солнечного излучения.

Солнечные лучи, попадающие на поверхность Земли, имеют спектральный диапазон от 260.10–9 до 3000.10–9 м. Это значит, что спектр содержит видимое ультрафиолетовое и невидимое инфракрасное излучение. Излучение инфракрасных излучателей может находиться как в видимой (светлые инфракрасные излучатели), так и в невидимой (инфракрасной) части спектра (темные и супертемные излучатели).

Таким образом, становится ясно, что различный физический принцип передачи тепла требует различных способов расчета и проектирования отопительной системы. Так же и воздействие отопительной системы на тепловой комфорт человека будет отличаться от энергетических требований.

Сравним температурные условия, образованные центральной паро– и тепловоздушной отопительными системами и лучистой системой отопления.

При конвективном отоплении тепловая энергия поступает в помещение с помощью конвективных устройств и тепловоздушных обменников. Источником тепла является энергия пара, поставляемая с помощью трубопроводов от центрального источника – котельной.

В этом случае тепловой комфорт обеспечивается обогретым воздухом, поступающим от обменников и конвективных устройств: дело в том, что первичной теплоносительной средой является горячий пар. Следовательно, согретый таким образом воздух бывает достаточно теплым. Однако чем теплее воздух, тем он легче и быстрее перемещается вверх. Это приводит к тому, что объем помещения согревается воздухом сверху вниз, причем под крышей температура наиболее высока. К тому же крыша с различными технологическими отверстиями и форточками считается помещением с плохими теплоизоляционными свойствами.

Вторым отрицательным результатом бывает так называемый каминный эффект, который увеличивает обмен воздуха в помещении. Мощность центрального отопления должна покрывать тепловые потери всей цепочки производства, дистрибьюции и обмена тепла.

Если потребление газа для производства тепловой энергии в котлах – 100%, потери в самом источнике тепла составляют 15% в виде воды и 20% в виде пара от всего количества энергии.

Лучистая отопительная система состоит из тепловых устройств – излучателей, которые помещаются над отопливаемой площадью. После включения и согрева на номинальную температуру излучатели начинают излучать электромагнитные волны, которые с небольшими потерями проходят через воздух, попадают на пол и преобразуются в тепло. Это значит, что воздух обогревается вторично, но уже от пола, который таким образом становится самым теплым местом в объекте. Излучатели с выгодой можно размещать только над местом, где находятся люди, чтобы обеспечивать им необходимые температурные условия, то есть образовывать температурные зоны без отделения их перегородками. Образование необходимых температурных режимов в этих зонах способствует снижению потребления газа от 70 до 30%.

Температурный градиент в зависимости от высоты при лучистом отоплении приближается к требованиям идеального отопления. В этом случае температура воздуха на уровне головы человека ниже, чем при тепловоздушном отоплении. Данная температура воздуха определяет преимущество использования лучистого отопления, так как для обогрева пространства требуется более низкая мощность; это видно из следующего уравнения тепловых потерь объекта:

Qo = E [kj . Sj . (ti – te)]

При тепловоздушном отоплении значительная площадь конструкции помещения противостоит температурной разнице внутренней и внешней температур:

/= (ti – te),

где /= 30° С – (–20° С) = 50° С.

При лучистом отоплении разница температур составляет:

/= 17° C – (–20° C) = 37° C.

Так как площадь конструкции и коэффициент прохождения тепла для обоих случаев одинаковы, соотношение тепловой мощности будет равняться соотношению /. В процентном отношении тепловая мощность лучистого отопления для покрытия тепловых потерь конструкции будет составлять только 74% от значения для тепловоздушной системы. Таким образом, комплексное сравнение гораздо сложнее, но оно соответствует среднему отношению тепловых мощностей, которые на практике составляют 80%.

Более низкая температура воздуха позволяет передавать биологическое тепло, которое образуется во время работы, и тем самым предотвращает перегрев организма.

Этот феномен лучистого отопления наступает в результате физической передачи тепла, где лучи-стый поток образует добавку тепла к температуре воздуха, ощущаемого человеком. Очень упрощенно это можно описать следующим уравнением:

tp = tv + ts (° С),

где tp – температура, ощущаемая человеком;

tv – температура воздуха;

ts = Is.0,072;

Is – интенсивность лучистого потока, а число 0,072 – эмперически полученная константа. Согласно этому равенству лучистый поток с интенсивностью 100 Wm-2 дополнительно повышает температуру на 7,2° С. Таким образом, для того чтобы получить температуру 18° С при лучистом потоке 100 Wm-2, после ввода значений в уравнение получается:

tp = tv + Is.0,072;

18оC = tv + 100 Wm – 2.0,072;

tv = 18°C–.7,2°C.

Данный расчет в таком виде является только показательным и предназначен для понимания физиче-ского принципа. Рассчитать с его помощью тепловую мощность невозможно, так как он не учитывает остальных условий, которые для этого расчета необходимы.

При отоплении излучателями в качестве прямо-обогревающих устройств не учитываются потери, связанные с дистрибьюцией тепла. Таким образом, использование газа представляется более целесообразным.

Общая энергетическая экономия топлива при лучи-стом отоплении может достигать 70% относительно сравнительной паро– и тепловоздушной отопительных систем.

Использование лучистых отопительных систем как прогрессивных и эффективных систем отопления предоставляет определенные выгоды с точки зрения образования рабочей среды.

1. Централизованное использование природного газа обеспечивает легкость его применения и более удобное регулирование температур в помещении.

2. Температура воздуха на уровне пола на 2–3° С выше, чем на высоте 1,5 м над полом.

3. Более равномерным способом распределяется температура по всей высоте отапливаемого объекта между газовым излучателем и полом.

4. При использовании лучистого отопления нет движения пыли.

5. Лучистое отопление является экологически без-опасным.

6. Не требует применения воды.

7. Лучистая система, по сравнению с тепловоздушной, работает практически бесшумно.

8. Лучистая отопительная система не может замерзнуть.

9. Обогрев помещения достигается за 10–25 минут.

10. Легкий монтаж и ремонт.

Недостаток лучистого отопления: лучистую отопительную систему нельзя использовать в помещениях, где существует опасность возникновения пожара.

Газовые инфракрасные излучатели

В настоящее время для отопления крупных площадей используется три вида газовых излучателей:

1. Светлые газовые излучатели.

2. Темные газовые излучатели.

3. Сверхтемные (компактные) газовые излучатели.

Газовые излучатели сжигают газ для обогрева специальной излучающей поверхности, которая согревается прямым контактом со сжигаемыми газами.

Светлые газовые излучатели

Источник излучения – пористая керамическая пластина, которая нагревается беспламенным поверхностным сжиганием газа до температуры 800–1000° С. При этой температуре образуется электромагнитное излучение с длиной волны от 2,1.10–6 до 3,0.10–6 м. Волна этой длины распространяется практически прямолинейно и почти без потерь проходит через воздух.

Лучистая эффективность светлых газовых излучателей составляет от 50 до 75%.

Для повышения эффективности излучателей некоторые изготовители размещают перед лучистой керамической поверхностью дефлексную решетку, которая возвращает часть эмитированных энергетических частиц назад на активную поверхность, что приводит к возбуждению частиц атомов и к последующему увеличению эмиссии фотонов излучения.

У светлых излучателей доминирует корпускулярное излучение, которое определяет их свойства. Угол ядра излучения обычно равняется 60°, и область излучения на поверхности относительно четко ограничена. Иногда излучатели этого типа, благодаря этому свойству, обозначаются как "теплометы". Они достигают высокой интенсивности излучения.

Так как корпускулярный характер и высокая интенсивность способствуют проникновению излучения под поверхность предметов, изготовленных из непроводящих материалов, они довольно быстро нагреваются. Это присходит потому, что 1 дм излучающей площади способен передать мощность приблизительно до 1200 Вт.

Сами излучатели имеют небольшие размеры. Горелки обычно работают по принципу атмосферных инжекторных горелок, в которых необходимый для сжигания воздух смешивают с газом с помощью инжекторов. Смешанный с газом воздух поступает через капиллярные отверстия в керамической пластине, зажигается и горит на ее поверхности. Продукты сжигания поступают в помещение.

Раньше эти излучатели использовались в основном для технологического обогрева – сушки бумаги на целлюлозных комбинатах, для размораживания вагонов и т. д. В дальнейшем их стали использовать для обогрева и отопления промышленных объектов.

Область использования светлых излучателей

Хотя все излучатели могут использоваться для отопления промышленных помещений, область их применения четко ограничена: они не пригодны для отопления тех помещений, где постоянно находится человек.

Высокая интенсивность и относительно острый угол излучения приводят при отоплении по всей площади к неравномерному распределению плотности излучения на полу, очень часто наблюдается возникновение довольно больших необлучаемых площадей, которые в сумме могут составлять значительный процент площади помещения.

Это приводит к тому, что в полу не аккумулируется достаточного количества энергии для равномерного обогрева воздуха в помещении, что в результате приводит к большой разнице между ощущаемой температурой и температурой воздуха.

Таким образом, в отапливаемом помещении человек не чувствует себя комфортно, так как в зоне высокой плотности излучения может наступать нагрев темени головы до температуры больше чем 25° С, что является максимально допустимой границей гигиенической нормы, а вне этой зоны, где уже не чувствуется влияние излучения, человек ощущает некомфортно низкую температуру воздуха. К сожалению, устроенное таким образом отопление встречается довольно часто.

Неправильно спроектированная и реализованная система часто приводит в будущем к отказу от любого лучистого отопления. Но и теоретически правильное проектирование отопления светлыми излучателями по всей площади, хотя и дороже чем иной проект, не гарантирует теплового комфорта. Основанием является длина волны и корпускулярный характер излучателя.

Области, в которых светлый излучатель удовлетворяет своему функциональному назначению и самым эффективным способам обогрева, мы приводим ниже:

• локальное отопление рабочих мест в пространстве, которое не отапливается;
• различные виды складов, погрузочных рамп и других пространств, где невозможно получить повышенную температуру воздуха или из-за его чрезмерного обмена или из-за низких теплоизоляционных свойств объектов;
• обогрев частей внешнего пространства, например трибун стадионов, рынков и т. д.

Все эти пространства с точки зрения теплового комфорта При этом должны соблюдаться следующие условия: человек в отапливаемом светлыми излучателями пространстве находится только ограниченное время, одежда на нем должна быть теплой, чтобы защищать его от холодного воздуха и действия корпускулярного излучения.

В настоящее время в связи с использованием конструктивных материалов с лучшими теплоизоляционными свойствами светлые излучатели теряют свою привлекательность с точки зрения эксплуатационных расходов на отопление. Причиной этого является техническая невозможность изолирования места сжигания, то есть тяжело обеспечить подачу воздуха для сжигания и отвод продуктов сжигания во внешнюю среду, в связи с чем повышается коэффициент обмена воздуха в пространстве(на 1 кВт мощности необходимо иметь 30 м2проветриваемого воздуха сверх того, который необходим для обеспечения работы людей и технологии), что означает потерю значительной части уже произведенного тепла.

Темные газовые излучатели

Приведенные недостатки светлых излучающих систем были устранены в новых типах излучателей, предназначенных для отопления всей площади, – темных газовых излучателей. В данном излучателе смесь воздуха и газа сжигается в металлической закрытой трубе, которая обогревается самим пламенем и продуктами сгорания.

Увеличение размеров излучателя ведет к уменьшению его поверхностной температуры до 350–450° С. Излучатель имитирует излучение, максимум которого находится в области 4,1.10–6–8,1.10–6 м. Темный излучатель характеризуется более низкой лучистой эффективностью, которая колеблется в диапазоне 45–60%. Эта эффективность достигается с помощью так называемого рефлектора, который образует зеркальную плоскость, отражающую излучения в необходимом направлении. Волна распространяется не прямолинейно, а изгибается, поэтому требуется рефлектор специальной формы.

Кроме центрального излучения, которое распро-страняется примерно под углом 90°, имеется и боковое излучение с углом 120°.

Темный газовый инфраизлучатель пригоден для отапливания объектов по всей площади.

Правильно подобранные системы отопления с использованием темных газовых излучателей более выгодны из-за равномерной интенсивности излучения, попадающего на пол.

Конструкция современных типов темных излучателей направлена на максимальную экономию первичного носителя, например природного газа, которая достигается следующими способами:

1. Использованием качественных материалов и технологий. Решающее влияние на лучистые свойства излучателя имеют материалы, применяемые при их изготовлении. У излучающих труб решающим фактором является их срок службы. Сегодня существуют технологии производства труб, которые гарантируют неизменность их свойств и длительности срока использования, равняющегося сроку использования всего устройства.

2. Использованием патентов и изобретений. Использование горелки внутри излучателя уменьшает влияние температурных шоков на материал излучающей трубы, повышает эффективность передачи тепла и качество сгорания.

3. Качественным управлением на базе микропроцессорной техники, которая способна удовлетворить требования заказчика и сделать более эффективной эксплуатацию лучистого отопления. Позволяет управлять иными субсистемами, связанными с общими микроклиматическими условиями в отапливаемом пространстве.

4. Исключительными техническими решениями, которые гарантируют долговременную эксплуатацию без неисправностей с гарантированными параметрами.

Следует сказать, что темный газовый излучатель с точки зрения вывода продуктов сгорания гораздо предпочтительнее. При условии выполнения требований гигиенических стандартов и при своевременном проветривании можно выводить продукты сгорания в помещение, осуществлять вывод продуктов сгорания во внешнюю среду, комбинированную подачу воздуха для сжигания и вывода продуктов сгорания или же центральный вывод продуктов сгорания. Конкретные решения проекта всегда соответствуют индивидуальным требованиям каждого конкретного дома.

Сверхтемный излучатель – специальный тип темного излучателя – имеет пониженную рабочую температуру до 150–200° С. Излучатель генерирует излучение с длиной волны более чем 14.10–6 м, которое уже невозможно рефлектором направить в когерентные пучки, и сам излучатель облучает всю поверхность пространства. При этом его лучистая мощность колеблется на уровне 40%. Поэтому сверхтемный излучатель имеет массивный изолированный рефлектор, задачей которого является защита его от больших конвективных потерь.

Лучистая энергия в значительной мере поглощается воздухом и водяным паром, что приводит к повышению температуры воздуха прямым излучением. Поэтому эти низкотемпературные излучатели используются в хорошо изолированных помещениях с малым обменом воздуха. Увеличение энергии за счет излучения у этих излучателей колеблется от 1 до 2° С (/).

Излучатели имеют обычно одну горелку и комбинированную подачу воздуха – отвод продуктов сгорания с помощью дымохода. В итоге можно констатировать, что каждый тип пространства требует особого отношения, и только после его анализа можно выбрать оптимальный способ отопления. Каждое шаблонное решение представляет собой угрозу неполучения ожидаемых результатов и может привести к отказу от лучистого отопления, как такового, без принятия во внимание его эффективности.

Одной только заменой паро– и тепловоздушной систем газовыми излучателями можно получить значительное увеличение эффективности отопления, где поддержание теплового комфорта является лишь ча-стью более широкого понятия – микроклиматических условий, которые включают качество воздуха, безопасность, а также выполнение всех остальных требований к пространству.

В последнее время в специальной литературе встречаются статьи, описывающие перспективы недалекого будущего. Предполагается, что широкое распространение получат бытовые потребители энергии с искусственным интеллектом.

Со многими из них мы встречаемся уже сегодня, например с автоматической стиральной машиной, которая сама просчитывает количество стираемого белья и после этого программирует потребление воды, количество стирального порошка и, в случае необходимости, изменяет программу стирки.

В качестве другого примера можно привести те компоненты автомобиля, которые самостоятельно ограничивают количество электрических соединений к одной шине коммуникации, чем уменьшают неполезный вес автомобиля до 70%.

Этих примеров достаточно для того чтобы определить, по каким направлениям будут развиваться технологии.

Приведенные выше примеры показывают, что дальнейшие резервы экономии тепловой энергии можно получить, только если учитываются все элементы, которые участвуют в отоплении и создании климатических условий и безопасности отапливаемого помещения.

Смотрите также

Дизайн интерьера кухни - типичные ошибки

Читайте также:

 

Дизайн-студия "Des-room" © 2010-2024
Все права защищены. Копирование запрещено.