лучистое отопление. Статья c корректировкой

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.
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).
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.
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.
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 лучистый поток образует добавку
тепла к температуре воздуха, ощущаемого человеком. Очень
упрощенно это можно описать следующим уравнением:
Общая энергетическая экономия при лучистом 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. 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 лучистой панелью и
полом.
4. При использовании лучистого отопления нет движения пыли.
5. Лучистое отопление является экологически безопасным.
6. Лучистая система, по сравнению с тепловоздушной, работает
практически бесшумно.
7. Обогрев помещения достигается за 10–25 минут.
8. Легкий монтаж и, практически, никакого обслуживания.
§ 78. ОСОБЕННОСТИ ПАНЕЛЬНО-ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ
Панельно-лучистым называется отопление помещения панелями, при котором средняя
температура всех поверхностей, обращенных в помещение, превышает температуру
воздуха. Как видно из определения, отопление относится к панельно-лучистому по
совокупности двух признаков. Первый признак — необходимый, но не достаточный —
система отопления должна быть панельной, т. е. с отопительными приборами,
имеющими сплошную гладкую нагревательную поверхность. Второй признак —
панельное отопление должно создавать в помещении температурную обстановку,
характерную для лучистого способа обогрева
Системы панельно-лучистого отопления могут быть центральными и местными.
К местному относится отопление высокотемпературными приборами (панелями и
плафонами с отражательными экранами): Для нагревания приборов используются
электрическая энергия и горячие газы (температура поверхности до 800—850° С).
Для центрального панельно-лучистого отопления с теплоносителями водой, паром и
воздухом, рассматриваемого в данной главе, характерно использование инфракрасного
излучения при сравнительно низкой температуре поверхности панелей (обычно ниже
100°С).
При панельно-лучистом отоплении помещение обогревается главным образом за счет
лучистого теплообмена между греющей панелью и поверхностью ограждений.
Излучение от панели, попадая на поверхность ограждений и предметов, частично
поглощается, частично отражается. При этом возникает так называемое вторичное
излучение, в конце концов тоже поглощаемое предметами и ограждениями помещения.
интенсивность облучения отопительной панелью различных ограждений помещения
характеризуется, полученными при замерах освещенности облучаемых поверхностей
световой моделью панели.
Из таблицы видно, что ограждение, в плоскости которого установлена отопительная панель,
получает путем вторичного излучения 9—12%' общего лучистого потока.
Благодаря лучистому теплообмену повышается температура внутренней поверхности всех
ограждений по сравнению с температурой при конвективном отоплении, а температура
поверхности внутренних ограждений в большинстве случаев превышает температуру
воздуха помещения.
Отопительная панель является составной частью ограждающих конструкций и может быть
размещена в потолке, полу, «внутренних или наружных стенах помещения. Поэтому система
панельного отопления соответственно называется потолочной, напольной или Стековой.
Местоположение панели выбирается на основании технологических, гигиенических и
технико-экономических соображений.
Передача тепла только излучением возможна лишь в безвоздушном пространстве. В
помещении лучистый теплообмен всегда сопровождается конвективным. Теплоизлучения
распределяются по поверхности ограждений неравномерно: пропорционально косинусу угла
направления излучения к нормали излучающей поверхности. При этом вследствие различия
температуры поверхностей возникает движение воздуха в помещении, которое усиливается
благодаря развитию нисходящих потоков воздуха у охлаждающихся поверхностей. В
результате отопительная панель часть тепла передает конвекцией воздуху,
перемещающемуся у ге поверхности.
Размещение -отопительной панели в потолке затрудняет конвективный теплоперенос, и в
теплопередаче панели теплообмен излучением составляет 70—75%. Греющая панель в полу
активизирует теплоперенос конвекцией, и на долю теплообмена излучением приходится
всего 30—40%. Вертикальная панель в стене в зависимости от высоты передает излучением
30—60% всего тепла, причем доля теплообмена излучением возрастает с увеличением
высоты панели.
Лишь потолочное панельное отопление, во всех случаях передающее в помещение
излучением более 50% тепла, могло быть названо лучистым. При напольном отоплении, а
также почти всегда при стеновом в общей теплопередаче панелей преобладает конвективный
теплоперенос. Однако способ отопления — лучистое оно или конвективное —
характеризуется не доминирующим способом подачи тепла, а температурной обстановкой в
помещении
Действительно, при низкотемпературных (25—35°С), а следовательно, развитых по площади
потолочных и напольных панелях увеличивается температура поверхности ограждений
помещения и способ обогревания всегда относится к лучистому. При стеновых же панелях в
зависимости от их размеров и температуры поверхности способ отопления помещения может
быть отнесен и к лучистому и к конвективному (если средняя поверхностная температура
окажется ниже температуры воздуха). По общности конструктивной схемы и способа
обогрева помещений потолочному, напольному и стеновому панельному отоплению дается
общее наименование — панельно-лучистое.
Греющая панель отличается от обычных отопительных приборов тем, что в большинстве
случаев она выполняется в виде бетонной плиты с^амоноличенными в ней трубами.
Приоритет по конструированию и применению на практике, на основании идеи проф. В. М.
Чаплина, систем отопления с заделкой стальных труб в толщу стен, потолков и полов, а
также колонн, пилястр и даже лестничных перил и балясин принадлежит русскому инженеру
В. А. Яхимовичу. Эти системы были названы им панельным отоплением (английский патент
1907 г.). За короткий срок (1907—1911 гг.) инж. Яхимович оборудовал такими системами
отопления свыше 20 крупных больничных, школьных и общественных зданий. В качестве
теплоносителя в этих системах использовались горячая вода и пар.
Несколько позднее, в том же 1907 г., английский инженер Баркер также получил патент на
устройство систем отопления плоскими нагревательными поверхностями.
В дальнейшем, в конце 20-х годов текущего столетия, подобные системы панельного
отопления получили распространение в зарубежной практике под названием лучистого
отопления.
В Советском Союзе в связи с переходом к широкой индустриализации строительства с
применением крупноэлементных конструкций зданий вновь стали использоваться для
отопления бетонные греющие панели.
Панельное отопление рекомендуется предусматривать в полносборных жилых,
общественных и промышленных зданиях со стенами из панелей и при использовании
объемных элементов. При наличии отопительных панелей, скрытых в строительных
конструкциях (см. табл. Ш.4), особенно отмечается выполнение санитарно-гигиенических
требований. Поэтому панельно-лучистое отопление применяется в общих комнатах детских
садов и яслей, в операционных, родовых, наркозных и других помещениях лечебных
учреждений, в плавательных бассейнах и спортивных залах, в вестибюлях (теплые полы)
общественных зданий.
Отопительные панели используют также для обогревания основных помещений вокзалов,,
аэропортов, ангаров, высоких сборочных цехов, применяют в производственных
помещениях с особыми требованиями к чистоте (производство пищевых продуктов, сборка
точных приборов и т. п.)
§ 79. ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТ ПРИ ПАНЕЛЬНО-ЛУЧИСТОМ
ОТОПЛЕНИИ
При панельно-лучистом отоплении температура поверхностей в помещении,
участвующих в лучистом теплообмене, повышается. Это создает обстановку, более
благоприятную для самочувствия человека.
Самочувствие человека существенно улучшается при повышении доли конвективного
теплообмена в общей теплопотере его тела и уменьшении излучения на холодные
поверхности (радиационного охлаждения). Это как раз и обеспечивается системой
панельно-лучистого отопления, при использовании которой благодаря повышению
температуры внутренней поверхности ограждений помещения потеря тепла человеком
излучением уменьшается. Одновременно понижается против обычной температура
воздуха в помещении, в связи с чем увеличивается конвективный теплообмен, что
способствует хорошему самочувствию человека.
Таким образом, при применении системы панельно-лучистого отопления возрастает
средняя поверхностная температура ограждений и повышается тепловой комфорт.
Созданию комфортных условий благоприятствует также некоторое повышение
относительной влажности при снижении температуры воздуха помещения.
Установлено, что в обычных условиях хорошее самочувствие людей обеспечивается при
температуре воздуха в помещении 17,4° С при стеновых отопительных панелях и 19,3° С
— при радиаторной системе отопления
В помещениях с нагретыми панелями наряду с обеспечением общего теплового
комфорта может возникнуть опасность интенсивного облучения или" нагревания
отдельных частей тела человека, прежде всего головы и ступней ног.
Гигиенисты считают, что комфортными относительно нагретой поверхности являются
условия, когда находящаяся против этой поверхности часть головы человека не получает,
а теряет излучением около 11,5 Вт/м2 [10 ккал/(ч-м2)]. Следовательно, для теплового
комфорта человека, находящегося вблизи греющей панели, температура поверхности
последней должна быть ограничена.