Large spaces heating

В последние годы, особенно в зарубежной литературе, имели место многочисленные дискуссии о преимуществах и недостатках указанных способов. В связи с тем, что на текущий момент в России отсутствует четкое мнение по данному вопросу среди потребителей и поставщиков отопительного и вентиляционного оборудования, настоящим предпринята попытка сопоставить рассматриваемые способы с технической и экономической точек зрения Прежде всего, лучистое отопление следует различать, исходя из используемого типа излучателей, классифицируемых следующим образом:
□ «темные» излучатели без открытого пламени с температурой поверхности, не превышающей 450 °С (в соответствии с DIN 3372, часть 6 [1]);
□ «светлые» излучатели с температурой поверхности до 900 °С (в соответствии с DIN 3372, часть 1 [2]).
Среди многочисленных типов оборудования, используемых для воздушного отопления, наибольший интерес представляют децентрализованные агрегаты с верхней раздачей воздуха свободными струями с полым ядром и регулируемым углом закручивания [3-9].
Что касается лучистого отопления, из физических соображений только светлые излучатели в полной мере реализуют лучистый теплообмен, интенсивность которого в соответствии с законом Стефана- Больцмана пропорциональна четвертой степени разности температур обменивающихся теплом поверхностей. В случае темных излучателей, использующих длину волны излучения порядка 10 м, наряду с лучистой составляющей существенным является конвективный теплообмен, что, с одной стороны, позволяет в определенной мере избежать недостатков, характерных для лучистого отопления,
а, с другой стороны, приводит к ухудшению условий обогрева, свойственных размещению нагревателей конвективного типа под потолком.

1.Останавливаясь на лучистом отоплении с использованием светлых излучателей, следует отметить, что созданию высоких температур сопутствует выгорание кислорода, а также образование вредных веществ за счет пригорания пыли. В связи с этим возникает потребность в определенном количестве

Независимо от типа излучателя перенос тепла за счет лучистой составляющей происходит опосредованным образом

свежего воздуха. Согласно рекомендациям DVGW G 638, часть 1 [10] на каждый киловатт мощности, развиваемой светлыми излучателями, необходимо гарантированное снабжение не менее 30 м3/ч свежего воздуха Таким образом, возникающий эффект «антивентиляции» приводит к тому, что их использование в достаточно герметичных строительных объемах проблематично.
Очевидным является следующее отношение площади ограждающих конструкций к объему помещения 

где W - ширина, L - длина, H - высота помещения. В результате несложных преобразований имеем

 Полагая потери тепла через ограждающие конструкции равными 0,1 кВт/м2, получаем, что применение светлых излучателей допустимо при естественной аэрации, составляющей не менее 0,1 х 0,3 х 30 = 0,9 ч^-1.
Указанное соответствует условиям негерметичных помещений, открытых и полуоткрытых площадок.

Рис. 1. зависимость A/V от величины Ag при различных H

2. Независимо от типа излучателя перенос тепла за счет лучистой составляющей происходит опосредованным образом. Под действием относительно высокой температуры излучателя в первую очередь осуществляется разогрев ограждающих поверхностей, которые, в свою очередь, служат вторичным источником тепловыделений. В этом смысле показательным является анализ приведенной выше формулы (2), характеризующей взаимосвязь между площадью пола Ag [м2] и отношением площади ограждающих конструкций к объему помещения A/V. На рис. 1 указанная зависимость представлена графически для различных значений высоты помещения H.

Детальные исследования [11], в т.ч. путем постановки крупномасштабных экспериментов в натуре, показывают, что использование светлых излучателей является эффективным при высоте помещения не более 10 м, а темных излучателей — при высоте помещения не более 5 м. При этом следует заметить, что современные вентиляционные агрегаты с верхней раздачей воздуха обеспечивают формирование свободных аэродинамических струй, имеющих дальнобойность до 18-20 м. Обращаясь к графику, представленному на рис. 1, следует заметить, что в рассматриваемом диапазоне высот помещений площадь A, а, следовательно, и роль ограждающих конструкций в качестве вторичного источника тепловыделений по сравнению с общим объемом помещения V сохраняется повышенной только при значениях площади пола Ag, не превышающей 2000-3000 м2. Таким образом, становятся очевидными преимущественные области использования лучистого и воздушного отопления, из которых последнее является предпочтительным для помещений большого объема, имеющих площадь не менее 2000 м2 и высоту потолков не менее 10 м.

3. Одним из преимуществ лучистого отопления является возможность поддержания более низких температур воздуха внутри помещения при создании аналогичных условий тепловых ощущений, что и при использовании воздушного отопления. Указанное обстоятельство рассматривается как фактор энергосбережения, поскольку при этом несколько снижается количество тепла, потребного для подогрева приточного воздуха. Действительно, лучистое отопление характеризуется следующими основными показателями:
□ средняя радиационная температура t_r, равная температуре поверхности абсолютно черного тела, с которым происходил бы лучистый теплообмен, эквивалентный имеющему место в реальной обстановке;
□ температура воздуха внутри помещения — обозначается как t_a;
□ оперативная температура t_o, равная температуре поверхности абсолютно черного тела, с которым происходил бы в сумме лучистый и конвективный теп¬лообмен, эквивалентный имеющим место в реальной обстановке;
□ эффективный лучистый поток ERF, воздействующий на человека.
При известных значениях коэффициентов лучистого hr и конвективного hc тепло обмена соотношения между перечисленными выше основными показателями определятся следующим образом:

Из приведенных формул очевидным является с увеличением радиационного фактора рост температуры поверхности ограждающих конструкций, что обуславливает потери тепла за счет их теплопроводности. В результате выигрыш энергии, расходуемой на подогрев приточного воздуха, оказывается связанным с повышенными кондуктивными теплопотерями. Количественно энергетический баланс определяется значениями hr и hc, выражаемыми следующим образом

где f_эф — отношение поверхности тела человека [м²], подверженной радиационному воздействию, к общей поверхности DuBois (0,202W^0,425H^0,725, где W — вес, кг; H — рост, м), /эф = 0,71; õ — постоянная Стефана-Больцмана, имеет значение 5,67 х 10^-8 Вт/(м²-К⁴); T — абсолютная температура, T = 273 K.

где v — подвижность воздуха, м/с; C₁ — константа, C₁ = 0,107.
Отсюда, роль радиационного фактора существенным образом зависит от подвижности воздуха в помещении и типа излучателя, что представлено на рис. 2.
4. Эффективность использования тепловой энергии внутри помещения зависит от формируемого по вертикали градиента температур. Обычно за счет естественной конвекции указанный градиент составляет порядка 1 °С/м, что при высоте помещения H = 10 м означает перегрев скапливающегося под потолком воздуха на 10 °С по отношению к рабочей зоне. Воздушное отопление с использованием вертикально направленных вниз свободных струй позволяет снизить нежелательную температурную стратификацию вплоть до значений градиента порядка 0,1 °С/м.
Это способствует не только более рациональному распределению тепла внутри помещения, но и снижает тепловые потери через кровлю, которая, как правило, обладает большей теплопроводностью в сравнении с другими ограждающими конструкциями. При использовании лучистого отопления, особенно с темными излучателями, имеет место обратная картина. Расположенные под потолком источники тепла, конвективная составляющая которых, как показано выше, доходит до 30 %, непреднамеренно увеличивают вертикальный градиент в подпотолочном пространстве может достигать нескольких десятков градусов с вытекающими отсюда нежелательными последствиями с энергетической точки зрения. Согласно теоретическим оценкам КПД темного излучателя с замкнутой нагревательной системой составляет около 88 %. У децентрализованных воздухонагревателей с верхней раздачей воздуха коэффициент полезного действия достигает 92-94 %. Проведенные в Германии эксперименты [11] показали, что в цехе металлоконструкций с высотой потолков 12 м, как температура воздуха под потолком снизилась с 28 до 18 °С. Дневной расход топлива при этом сократился с 24,8 до 11,7 м3.
В другом примере технико-экономическая оценка показала, что замена лучистого на воздушное отопление машино-строительного цеха объемом 22 тыс. м3 имела своим результатом сокращение годовых расходов на энергоносители с 49 тыс. до 17 тыс. DM.

Рис.2. Роль радиационного фактора в работе "светлых" и "темных" излучателей

Считается, что лучистое отопление характеризуется быстрым разогревом помещения. Это действительно так в сравнении с традиционной системой отопления конвекторного типа. В сравнении же с воздушным отоплением, использующим децентрализованные вентиляционные агрегаты с верхней раздачей воздуха, лучистое отопление оказывается более инерционным. Дело в том, что воздушное отопление реализует тепловую энергию непосредственно путем подачи в рабочую зону воздуха, подогретого необходимым образом. Разогрев же ограждающих конструкций является вторичным, температура поверхности которых постепенно приближается к температуре воздуха, оставаясь несколько ниже в зависимости от теплопроводности используемых строительных материалов. При использовании лучистого отопления ситуация является прямо противоположной. В первую очередь происходит разогрев ограждающих конструкций под действием лучистого тепла, и лишь затем разогревается воздух, температура которого всегда остается ниже температуры ограждающих конструкций. Лимитирующим фактором при этом является не только теплопроводность используемых строительных материалов, но и другие их теплотехнические свойства, объединяемые понятием температурная проводимость:


 с — теплоемкость, Дж/(кг-К); р — плотность, кг/м³ .
Согласно оценкам, проведенным в работе [12], исходя из значений температурной проводимости, равных, соответственно, 0,317 х 10-6 (кирпич), 0,362 х 10-6 (асфальт), 0,568 х 10-6 (бетон), тепловая инерция лучистого отопления в реальных условиях составляет порядка 1000 с.
Показатели инерционности отопительной системы особенно важны:
□ с точки зрения поддержания заданных температурных режимов при варьируемых условиях работы (открывающиеся ворота, переменные технологические процессы, транспортные операции);
□ при переходе из дежурного в рабочий режим, например, в начале смены после ночного снижения температуры до минимально допустимого уровня.
При этом следует иметь в виду, что лучистое отопление регулируется, как правило, по принципу включено/выключено, в то время как воздушное отопление поддается пропорциональному регулированию. Регулирование путем отключения и включения лучистых обогревателей («свет-тепло», «темнота-холод») целиком либо группами приводит к невозможности равномерного поддержания заданных температурных режимов как в пространстве, так и во времени. Групповое регулирование (отключение каждого второго или третьего излучателя) приводит к неоднородности распределения температур по площади помещения. При этом имеет место также нестабильность температурных режимов во времени, которая является особо вы выраженной в случае регулирования путем отключения и включения системы лучистого отопления целиком.
Недостатки проектирования лучистого отопления за счет этого могут приводить к наличию температурных контрастов, что создает угрозу простудных заболеваний. В этом отношении воздушное отопление, работающее по принципу «затопления» рабочей зоны нагретым воздухом, создает «мягкое» тепло, лишенное резких температурных контрастов.

Применение темных излучателей рационально при отоплении помещений сравнительно небольшой площади и объема

Выводы
Отдавая должное лучистым излучателям как наиболее простому и в ряде случаев дешевому средству отопления, следует признать ряд сопутствующих их применению . Светлые излучатели допустимы к использованию в условиях негерметичных помещений, открытых и полуоткрытых площадок. Применение темных излучателей рационально при отоплении помещений сравнительно небольшой площади и объема, не требующих создания повышенных комфортных условий.

В остальных случаях современные системы воздушного отопления, использующие децентрализованные вентиляцилнные агрегаты с верхней раздачей воздуха, обладают неоспоримыми преимуществами. Экономическая целесообразность использования подобных систем должна обосновываться сравнительным анализом не только капитальных, но и эксплуатационных затрат.

________________________________________________________________________