Рис. 1. Температурный режим в помещении при лучистом отоплении с «тёмными» ГИИ
Воздействие инфракрасного лучистого отопления благоприятно сказывается на самочувствии людей, теплокровных животных и птиц. Тепловое излучение проникает через поверхность кожи, частично нагревает её, достигает кровеносных сосудов и непосредственно повышает температуру крови, вызывая приятные тепловые ощущения.
В системах отопления на базе газовых инфракрасных излучателей (далее ГИИ) подача теплоты в рабочую зону осуществляется направленным тепловым излучением, причём энергия аккумулируется в приповерхностных слоях ограждающих конструкций и затем используется для формирования конвективных потоков, обеспечивающих нагрев воздуха рабочей зоны.
При лучистом отоплении создаётся температурный режим (рис. 1), при котором средняя температура поверхностей стен τст.н и пола τпл в рабочей (облучаемой зоне) выше температуры воздуха tв.р, которая одновременно выше температуры воздуха в необлучаемом объёме помещения tв.в, τст.н > tв.р > tв.в.
В рабочей зоне производственных помещений допускается снижение величины tв.р до 4 °C по сравнению со значениями, предусмотренными СанПиН 2.2.4.58-96.
Одной из основных причин ограниченного применения отопления на базе ГИИ является отсутствие научно обоснованной теории передачи и трансформации тепловой энергии от радиационного источника. Действующие нормативные документы, определяющие параметры микроклимата помещений, не учитывают специфику работы систем теплового излучения. Мощность систем отопления принимается равной расчётным потерям теплоты здания (СНиП 41-01-2003), то есть изначально перечёркиваются преимущества радиационного отопления по сравнению с конвективным и воздушным, заключающиеся в снижении тепловой мощности (не менее 40 %) [1, 2].
Используемые подходы по анализу температурных режимов объектов с лучистым теплообеспечением [3] не учитывают конвективную составляющую теплообмена на внутренних поверхностях и теплоотвод через наружные ограждающие конструкции в атмосферу. В то же время эти факторы в реальных вариантах систем лучистого отопления могут играть определяющую роль.
Исследование тепловых режимов конкретных помещений (рис. 1), отапливаемых на базе ГИИ, показали, что динамику температурного режима наружных ограждений и помещений в целом можно представить только на основе решения системы уравнений движения тепловых потоков в облучённой и необлучённой зонах [1, 3, 4, 6, 7]. Тепловой расчёт и конструирование лучистой системы отопления сводится к определению необходимой тепловой мощности системы, количеству ГИИ и месту их размещения, при заданном сочетании в рабочей зоне радиационной температуры tR в зависимости от тяжести работы и характера одежды людей, физиологического состояния и характера волосяного покрова животных (в том числе птиц).
Расчётная тепловая мощность системы отопления с ГИИ Qo и температурный режим наружных ограждений определяются из системы уравнений теплового баланса поверхностей ограждающих конструкций, излучающих поверхностей и объёмов воздуха в облучённых и необлучённых зонах. С учётом исследований в зонах [7] система уравнений имеет вид:
Индексы в формулах (1)-(9), кроме указанных в тексте и на рис. 1: теплообменивающиеся поверхности (пл — пол; пт — потолок; ст.н — облучаемые наружные ограждения; ст.в — необлучаемые наружные ограждения); объёмы (в.вз — объём воздуха необлучаемой верхней зоны; в.нз — объём воздуха облучаемой нижней зоны; н — наружный воздух; об — оборудование); способы теплообмена (л — лучистый; к — конвективный; тп — теплопередача; и — инфильтрация; м — массообмен между зонами); Δρвз-нз — перепад давления, определяющий воздухообмен между зонами; S — характеристика сопротивления; Gвз-нз — воздухообмен между зонами; A и B — постоянные.
Теплообмен на поверхностях пола, потолка, стен обеих зон описывается уравнениями (1), (2), (4) и (5), которые учитывают взаимное облучение каждой отдельной поверхности помещения остальными, включая ГИИ. Тепловой баланс воздуха верхней и рабочей зон рассмотрим в (3) и (6). Тепловой поток от ГИИ в помещение определяется по (7). Уравнение (8) даёт величину воздухообмена между верхней и рабочей зонами. В качестве граничных условий при решении системы принято первое условие комфортности (9).
Для упрощения и получения однозначного решения системы уравнений (1)-(9) введён ряд допущений и приближений, не меняющих физической сущности и количественных показателей процессов переноса теплоты: процессы стационарны; средняя интегральная степень черноты поверхностей ε = 0,85; доля лучистой составляющей определяется КПД излучателя Ψ тепловое излучение с верхней поверхности ГИИ в верхнюю зону помещения не учитывается (QлГИИ–cт.в = 0, QлГИИ–пт = 0); лучистый теплообмен между наружными стенами нижней зоны и покрытием отсутствует (Qлст.н–пт = 0).
Для получения расчётных параметров микроклимата при лучистом отоплении крупногабаритных помещений с большим объёмом было принято: термическое сопротивление одежды Rt = 0,155 м2·°С/Вт; тяжесть выполняемых работ — средняя; для промышленных помещений максимально допустимая плотность потока теплового излучения на уровне головы qл = 80 Вт/м2, при этом максимальная плотность потока на поверхности туловища, рук и ног qл = 150 Вт/м2, для сельскохозяйственных помещений среднее значение потока qл = 80 Вт/м2 при максимально допустимых qл = 160 Вт/м2 (телята) и qл = 210 Вт/м2 (поросята в возрасте до 30 суток).
С учётом принятых допущений система уравнений (1)-(9) запишется в развёрнутом виде:
В системе (10)—(17) дополнительно: αк — коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м2·°С); αв и αн — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностями ограждения, Вт/(м2·°С); φ — коэффициент облучённости соответствующих ограждений; φч-ст.н, φч-пл и φч-пт — коэффициенты облучённости с поверхности тела человека (животного) на соответствующее ограждение; Спл-ст и Свз-пл — коэффициенты, равные С0εb, Вт/(м2·°С); b — температурный коэффициент, K3; δ и λ — условные толщина [м] и коэффициент теплопроводности [Вт/(м·°С)] наружного ограждения; Qоб — тепловыделения от оборудования, Вт; Ψ — лучистый коэффициент полезного действия излучателя; Fст.н, Fст.в, Fпл и Fпт — площади стен верхней и нижней зон, пола и потолка (покрытия); ΣFГИИ — суммарная площадь излучающих поверхностей площадью fпл, м2; τч — температура тела человека или животного, °C; Ср — теплоёмкость воздуха, Дж/(кг·°С); Qсн — низшая теплота сжигания газа, Дж/м3.
Решение системы уравнений (10)—(17), представляющей физико-математическую модель лучистого отопления, позволяет с достаточной для инженерных расчётов точностью определять температурные характеристики конкретной наружной ограждающей конструкции и воздуха в помещении в холодный период года. Результаты исследований по температурному режиму помещений, обогреваемых лучистой энергией [1], не даёт однозначного ответа на вопрос о требуемых теплофизических характеристиках наружных ограждающих конструкций. Уменьшение подачи теплоты в помещение при использовании ГИИ, достаточной для поддержания допустимой температуры воздуха в рабочей зоне tв.р, по сравнению с конвективным или воздушным отоплением влечёт за собой снижение температуры воздуха в верхней (необлучаемой) зоне tв.в.. В результате чего температура может понизиться до температуры внутренней поверхности ограждений верхней зоны τв.з, что влечёт конденсацию водяных паров на ограждении [4].
Для предотвращения увлажнения наружных ограждений нормирование их теплозащитных показателей при лучистом отоплении необходимо проводить отдельно для облучаемых (в рабочей зоне) и необлучаемых поверхностей. Однако практическое определение требуемого сопротивления теплопередаче Rтро по общепринятой методике затруднено из-за нестационарности процессов теплопередачи [1].
Переменными являются значения нормированного потока теплоты qн = αвΔtн на глади различных зон ограждений из-за изменения коэффициентов теплоотдачи αв и нормируемых перепадов температуры Δtн = tв – τв.
Имеются рекомендации для помещений с лучистым отоплением при расчёте величины Rтро исключить теплообмен на внутренних поверхностях [5] и находить значение R`тро = Rтро - 1/αв. Значение Rтро — требуемое сопротивление теплопередаче от внутренней поверхности ограждения с температурой τдопв к наружному воздуху. Формула для определения R`тро [м2·°С/Вт] в этих условиях с учётом поправочного коэффициента n имеет вид:
Справедливым является определение величины R`тро отдельно для каждого участка наружных ограждающих конструкций, находящихся в облучаемой зоне, но, так как в нашем случае лучистый теплообмен исключён, то температура τдопв будет иметь одинаковые значения на различных участках и, как следствие, не будет зависеть от радиального расстояния r от излучателя до поверхности-поглотителя [8], следовательно, и значение R`тро будет одинаково для всех участков облучаемых наружных ограждений. Измерение температуры τдопв возможно провести путём замера температуры поверхности, имеющей коэффициенты излучения ε и пропускания τ, равные нулю (инфракрасный отражатель).
Инфракрасное излучение подчиняется, для исследуемого участка, закону излучения Кирхгофа [8]:
ε + ρ + τ = 1, (19)
где ε — коэффициент излучения; ρ — коэффициент отражения; τ — коэффициент пропускания.
Коэффициент излучения ε — это отношение излучения поверхности объекта к излучению абсолютно чёрного тела при той же температуре и в том же интервале длин волн. Коэффициент отражения ρ — отношение общей энергии излучения, отражённой поверхностью, к общей энергии излучения, падающего на эту поверхность. Коэффициент пропускания τ — это коэффициент, характеризующий способность материала пропускать через себя инфракрасное излучение и зависящий от типа и толщины материала.
В качестве инфракрасного отражателя может применяться смятый, а затем разглаженный лист алюминиевой фольги [9]. Измерение проводится в следующей последовательности: инфракрасный отражатель устанавливается таким образом, чтобы его плоскость отражения была параллельна поверхности исследуемого объекта. По прошествии некоторого времени контактным термометром проводится измерение температуры инфракрасного отражателя τно = τдопв.
После выполнения вышеописанных операций необходимо подставить полученную температуру τно = τдопв в формулу (1) и провести расчёт R`тро для данной зоны поверхности ограждающей конструкции.
Системы газового лучистого отопления потребляют меньшее количество теплоты для поддержания допустимых температурных параметров в рабочей зоне. Для конкретизации зададимся общепринятой в технической литературе величиной снижения расхода теплоты 40 % [1]. Тогда мощность систем лучистого отопления составит Qлот = 0,6Qкот. Поддержание средневзвешенной температуры в помещении tв.в, гарантирующей отсутствие конденсации водяных паров на необлучённых поверхностях наружных ограждений, возможно только при увеличении сопротивления теплопередаче теплового контура при лучистом отоплении Rло по сравнению с конвективным Rко на величину 0,6/Rко = 1/Rло, то есть Rло = 1,67Rко.
Заключение
1. Полученная методика определения τдопв позволяет рассчитывать требуемые теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций в облучаемой зоне зданий с лучистыми системами отопления по методике [5]. В свою очередь, требуемые теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций в необлучаемой зоне определяются по общепринятой методике, при этом R`тро < Rтро.
2. Значение требуемого сопротивления теплопередаче в зданиях с системами лучистого отопления постоянно для всей облучаемой зоны (R`тро = const).
3. Здания с системами отопления на базе газовых инфракрасных излучателей относятся к особому классу по нормированию и расчёту величины сопротивления теплопередаче наружных ограждений.
Получение экономического преимущества в процессе эксплуатации систем лучистого газового отопления от снижения потребления тепловой энергии возможно только при повышении сопротивления теплопередаче теплового контура зданий, что сопровождается увеличением капитальных затрат в процессе строительства или реконструкции.
