Отопление крупнообъёмных помещений (складов, цехов и пр.) в основном осуществляется традиционными системами отопления: конвективными и воздушными [1]. В свою очередь, применение таких систем отопления несёт за собой ряд недостатков, таких как излишняя подвижность воздушных масс, повышенная запылённость, неравномерность нагрева в рабочей зоне помещения, большой градиент температуры воздуха по высоте помещения и т. д.

Применение систем лучистого отопления решает ряд вышеописанных проблем. Системы лучистого отопления:

  • не провоцируют излишней подвижности воздуха, в отличие от системы воздушного отопления;
  • позволяют обеспечить более равномерный нагрев рабочей зоны, в отличие от системы конвективного отопления, построенной на базе радиаторов или гладкотрубных регистров;
  • обеспечивают меньший градиент температуры воздуха по высоте помещения, чем любой из видов конвективного или воздушного отопления.

Немаловажным аспектом применения систем отопления на базе инфракрасных излучателей (ИИ) является их высокая энергоэффективность. Проблема высокой энергоёмкости российской промышленности отражена в ряде нормативных актов [2, 3]. Системы лучистого отопления позволяют снизить затраты тепловой энергии на величину до 40% [4, 5], что позволяет говорить о перспективности их применения в качестве мероприятия по повышению энергоэффективности производства.

Снижение потребления теплоты достигается за счёт ряда особенностей систем лучистого отопления, таких как: низкая тепловая инерция; снижение трансмиссионных тепловых потерь через покрытие здания из-за небольшого градиента температуры воздуха по высоте помещения; снижение температуры воздуха рабочей зоны на зоны на величину до 4°C по сравнению с нормативными значениями, предусмотренными при проектировании конвективных систем отопления [6, 7], что становится возможным за счёт большей плотности потока теплового излучения в помещениях с системой отопления на базе ИИ.

Также стоит отметить, что применение таких систем и значительное сокращение затрат теплоты достигается без снижения уровня теплового комфорта.

С точки зрения энергоэффективности самым привлекательным является отопление на базе газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) [13, 14]. В данных системах отсутствует промежуточный теплоноситель, и теплота в помещение подаётся напрямую от первичного энергоносителя — природного газа. Однако применение лучистых систем отопления на базе газовых инфракрасных излучателей строго ограничено. Также стоит учесть, что подключение газа во многих регионах Российской Федерации связано со значительными финансовыми затратами.


Рис. 1. Водяной инфракрасный излучатель — излучающая панель

Ввиду вышеописанных особенностей ГИИ стоит рассмотреть другой энергоэффективный вид лучистого отопления — отопление на базе водяных инфракрасных излучателей (ВИИ). В качестве отопительных приборов в данных системах используются излучающие панели (рис. 1) или профили (рис. 2).


Рис. 2. Водяной инфракрасный излучатель — излучающий профиль марки Helios 750

Стоит также отметить, что наиболее перспективным ВИИ является именно излучающий профиль, ввиду его меньшей металлоёмкости и большей удельной теплоотдачи. Теплоносителем в таких системах является горячая вода (40–150°C).

Принцип работы лучистых систем отопления на базе ВИИ основан на передаче теплоты от теплоносителя к отопительному прибору, который, в свою очередь, отдаёт её в объём обслуживаемого помещения преимущественно посредством электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. Воздух является прозрачной средой для инфракрасного излучения, поэтому нагрев воздуха осуществляется за счёт теплопередачи от нагретых (облучённых) поверхностей помещения. Применение лучистых систем отопления на базе ВИИ в крупнообъёмных помещениях является эффективным и экономически обоснованным [4, 8, 9].

Обоснование экономической эффективности применения систем лучистого отопления на базе ВИИ в течение отопительного сезона можно провести с помощью общепринятой методики [10]. Данную методику используют представители ресурсоснабжающих организаций для расчёта нормативного потребления тепловой энергии на нужды отопления, а значит данный расчёт может являться обоснованием для заключения энергосервисного контракта. В качестве примера было взято здание цеха металлообработки компании «Флайг+Хоммель», расположенного в городе Заволжье (tн = −32°C [11]). Основные характеристики объекта исследований: длина — 126 м, ширина от 24 до 33 м (с пристройками), высота по стене — 9 м, высота в коньке — 10 м, площадь цеха — 3456 м², объём по наружному обмеру — 41472 м³, пол — бетонный монолит, стены — сэндвич-панели.

Температуру воздуха рабочей зоны tв.р принимаем по нормативной документации. Категория работ по уровню энергозатрат — IIб, следовательно, tв.р = 17–19°C, принимаем tв.р = 18°C. Как уже было сказано, при применении лучистого отопления в рабочей зоне производственных помещений допускается снижение величины tв.р до 4°C по сравнению со значениями, предусмотренными нормативными документами. Для расчёта мощности лучистой системы отопления принимаем температуру t′в.р = 14°C.

Тепловой поток на отопление здания может быть определён по формуле укрупнённых расчётов:

Qomax = aqoVн(tв — to)kпт10–6 МВт, (1)

где a — поправочный коэффициент, учитывающий район строительства здания [10]; qо — удельная отопительная характеристика здания, Вт/( м³·°C) [10]; Vн — объём здания по наружному обмеру выше отметки ± 0,000 (надземная часть), м³; kпт — повышающий коэффициент для учёта потерь теплоты теплопроводами, проложенными в неотапливаемых помещениях [10]; tв — средняя расчётная температура внутреннего воздуха, °C; tо — расчётная температура наружного воздуха для проектирования отопления, °C.

Для конвективной системы отопления:

Qкоmax = 0,98×0,44×41472 × [18 — (-32)] × 1,05 = 938843 Вт.

Для лучистой системы отопления:

Qлоmax = 0,98×0,44×41472 × [14 — (-32)] × 1,05 = 863736 Вт.

Величина нормативного потребления тепловой энергии на нужды отопления Qо [Гкал] определяется по формуле:

где tср.ф — средняя температура наружного воздуха за расчётный период, °C; z — продолжительность работы системы отопления за расчётный период, сут.; 24 — продолжительность работы системы отопления в сутки [ч], которая в случае расчёта нормативного потребления тепловой энергии на нужды отопления для системы с несколькими режимами работы принимается равной продолжительности режима работы в целом.

Для начала делаем расчёт нормативного потребления тепловой энергии на нужды отопления по месяцам со средней суточной температурой наружного воздуха не более +8°C [11], после чего проводим расчёт отдельно для рабочего, дежурного и переходного режимов. Результаты расчёта приведены в табл. 1 и 2.

  

Для проведения комплекса исследований теплового режима помещений с системой отопления на базе водяных инфракрасных излучателей была создана Лаборатория лучистого отопления (рис. 3) при ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ). В основу Лаборатории лучистого отопления легла экспериментальная установка, позволяющая производить широкий спектр исследований теплотехнических характеристик водяных инфракрасных излучателей [4].


Рис. 3. Лаборатория лучистого отопления

В качестве отопительных приборов в данном исследовании применялись излучающие профили марки Flower 125, разработанные в сотрудничестве с компанией «Флайг+Хоммель» (рис. 4).


Рис. 4. Профили Flower 125, разработанные в сотрудничестве с «Флайг+Хоммель»

Объектом исследования теплового режима стала вертикальная наружная ограждающая конструкция — стена Лаборатории лучистого отопления ННГАСУ.

Данная стена является также частью лабораторной установки и оборудована системой, позволяющей варьировать толщину утеплителя. В момент проведения эксперимента были установлены панели из утеплителя марки «Пеноплэкс Основа» [коэффициент теплопроводности λБ = 0,032 Вт/(м∙°C)] толщиной δ = 0,05 м. В качестве измерительного оборудования был использован измеритель теплового потока марки «Теплограф», который включает в себя модуль № 02 и датчики, позволяющие измерять температуру поверхностей и окружающей среды. Измерения проводились в соответствии с МДС 23–1.2007 [12]. Схема эксперимента приведена на рис. 5.


Рис. 5. Испытательная установка (1 — прибор «Теплограф»; 2 — датчики плотности теплового потока; 3 — датчики температуры поверхности; 4 — датчики температуры воздуха; 5 — стена из силикатного кирпича; 6 — утеплитель «Пеноплэкс Основа»)

Эксперименты проводились в два этапа: на первом этапе для отопления помещения использовалась подвесная установка с шестью водяными инфракрасными излучателями марки Flower 125 длиной по 1 п.м.; на втором этапе помещение отапливалось двумя биметаллическими радиаторами марки Calidor 500 по 12 секций каждый.

В ходе экспериментов были выбраны два дня, сходные по климатическим условиям, кроме того, были уравнены температура подачи теплоносителя, а также мощности лучистой и конвективной систем отопления.

Результаты исследований представлены на рис. 6.


Рис. 6. Показания датчиков в ходе первого и второго этапов эксперимента

По итогам анализа полученных графиков можно сделать следующие выводы:

  • отсутствие облучения наружной стены сказалось на показаниях температурных датчиков, расположенных на ней (полученные значения снизились);
  • температурный напор и, как следствие, тепловой поток в ходе первого этапа эксперимента были выше, чем в ходе второго этапа;
  • температурный напор между температурой наружной поверхности и температурой внутреннего воздуха в ходе первого этапа эксперимента был выше, чем в ходе второго этапа, что говорит о более высокой относительной температуре наружной поверхности ограждения.

Выводы

1. Анализ годового нормативного потребления тепловой энергии показал, что при использовании лучистого отопления можно добиться величины энергосбережения в 22,13%, а при использовании дежурного режима в нерабочее время эффект от применения системы лучистого отопления достигнет 27,19%. Максимальная разница между постоянным режимом работы конвективного отопления и режимом работы лучистого отопления с использованием перехода в дежурный режим составит 37,37%.

2. Системы водяного лучистого отопления за счёт большого коэффициента лучистой теплоотдачи имеют высокую плотность инфракрасного излучения, которое, в свою очередь, нагревает поверхности как внутренних, так и наружных ограждений, что повышает их температуру и позволяет защитить помещения от выпадения конденсата, но, в то же время, провоцирует бóльшие тепловые потери через облучённые ограждающие конструкции здания или сооружения.

3. Энергоэффективность применения лучистых систем отопления на базе водяных инфракрасных излучателей достигается за счёт:

  • меньшего температурного градиента по высоте помещения и отсутствия тепловой подушки, что снижает потери теплоты через покрытие помещения;
  • снижения температуры воздуха рабочей зоны без снижения уровня комфорта за счёт более высокой радиационной температуры, что также снижает трансмиссионные теплопотери;
  • меньшей тепловой инерции, что позволяет увеличить время дежурного режима работы системы отопления и снизить длительность переходного режима.