Теплофизические характеристики теплового контура зданий с газовыми инфракрасными излучателями

Воздействие инфракрасного лучистого отопления благоприятно сказывается на самочувствии людей, животных. Тепловое излучение проникает через поверхность кожи, частично нагревает ее, достигает сети кровеносных сосудов и непосредственно повышает температуру крови, вызывая приятное тепловое ощущение. При лучистом обогреве большая часть избыточной теплоты передается путем конвекции воздуху, имеющему более низкую температуру.

Такая форма теплоотдачи действует освежающе и благоприятно на самочувствие людей, а также животных. Температурный режим в рабочей зоне промышленных и сельскохозяйственных помещений при конвективном или воздушном отоплении поддерживается при тепловом балансе общих потерь и поступлений теплоты. Восходящие естественные конвективные потоки нагретого воздуха омывают внутренние поверхности наружных стен и покрытий, в результате чего их температура τ_в [°C] становится выше температуры точки росы t_т.р [°C], и конденсация водяных паров отсутствует.

При лучистом отоплении подача теплоты в рабочую зону от теплогенератора осуществляется газовыми инфракрасными излучателями (ГИИ) за счет направленного теплового излучения в инфракрасном спектре, а также вторичного излучения и конвекции от нагреваемых поверхностей ограждений и оборудования (рис. 1). При лучистом отоплении формируются параметры микроклимата, при которых средняя температура поверхностей в рабочей зоне τ_в.р [°C] выше температуры внутреннего воздуха t_в.р [°C].

В рабочей зоне производственных помещений допускается снижение величины t_в.р на 4 °C по сравнению со значениями, предусмотренными СанПиН 2.2.4.58–96 [1]. Повышение энергоэффективности обогрева помещений при лучистом отоплении достигается за счет создания температурного комфорта только в рабочей зоне, отсутствия промежуточного теплоносителя и тепловых потерь при транспортировке теплоты. По температурным условиям поверхности ГИИ классифицируются:

• «светлые» высокотемпературные (диапазон tизл > 1000 °C);
• «светлые» среднетемпературные (диапазон 800 < tизл < 1000 °C);
• низкотемпературные каталитические (дипазон 600 < tизл < 800 °C);
• «темные» (400 < tизл < 600 °C);
• «субтемные» (200 < tизл < 400 °C).

Вне зависимости от вида принципы работы ГИИ остаются неизменными, однако на практике по технико-экономическим показателям и условиям создания комфортности в рабочей зоне предпочтение отдается «темным» ГИИ. Принцип действия «темных» ГИИ следующий (рис. 2). Высокотемпературные продукты сгорания газа, поступающие из вентиляторного газогорелочного блока 1, циркулируют внутри теплоизлучающих труб 4 и удаляются в атмосферу по газоходу для отвода продуктов сгорания 2.

Над трубами крепится теплоотражающий экран 3. Вся данная конструкция подвешивается в верхней зоне помещения или крепится на стене. Основным фактором, сдерживающим в настоящее время широкое использование систем газового лучистого отопления в производственных и сельскохозяйственных зданиях, является отсутствие системного анализа процессов теплои массопереноса в объеме помещений.

Следствием является уменьшение энергоэффективности систем из-за наличия дефицита теплоты в помещениях, снижения теплозащитных характеристик необлучаемых ГИИ наружных ограждений при конденсации на них водяных паров, наличие капельной влаги в рабочей зоне. Для предотвращения данных негативных факторов обоснуем особенности методов нормирования и расчета тепловых балансов помещений и теплофизических характеристик наружных ограждений при новом строительстве или реконструкции зданий с системами газового лучистого отопления.

Новые здания с системами газового лучистого отопления. Тепловой баланс в промышленных и сельскохозяйственных помещениях при конвективных (водяных, паровых) и воздушных системах отопления в холодный период года при расчетной температуре t_н [°C] поддерживается в условиях равенства потерь теплоты через наружные ограждения Q_н.о и поступлений теплоты от систем отопления Q_от^к , то есть Q_н.о = Q_от^к . Потери теплоты помещением находятся суммированием через каждый элемент ограждения [2]:

Значения сопротивлений теплопередаче R_о [м²⋅°C/Вт], наружных ограждений составляют, например, для промышленных зданий [2]:

а для сельскохозяйственных зданий [3]:

где q_б^н — нормированный удельный тепловой поток через наружное ограждение, Вт/м². Определение величины Rо по формулам (2) или (3) гарантирует отсутствие конденсации водяных паров на внутренних поверхностях наружных стен и покрытий (τ_в > t_т.р). Системы газового лучистого отопления потребляют меньшее количество теплоты для поддержания допустимых температурных параметров в рабочей зоне.

Для конкретного примера зададимся общепринятой в технической литературе величиной снижения расхода теплоты до 40 %. Тогда мощность систем лучистого отопления составит Q_от^л = 0,6Q_от^к . Поддержание средневзвешенной температуры в помещении t_в, гарантирующей отсутствие конденсации водяных паров на необлученных внутренних поверхностях наружных ограждений, возможно только при увеличении, согласно (1), сопротивления теплопередаче теплового контура при лучистом отоплении R_о^л по сравнению с конвективным R_о^к на величину: 0,6/R_о^к = 1/R_о^л , то есть R_о^л = 1,67R_о^к.

При проектировании новых или реконструкции производственных или сельскохозяйственных объектов должен быть указан тип отопительной установки. В случае применения газового лучистого отопления средневзвешенное сопротивление теплопередаче теплового контура здания следует увеличивать на величину 60–70 % относительно расчетного по действующим нормам. Реконструкция здания с заменой конвективных или воздушных систем отопления на системы лучистого отопления.

В холодный период года в помещении наблюдается дефицит теплоты ориентировочно до 0,4Q_от^к , сопровождающийся понижением средневзвешенной температурой воздуха t_в. Температура необлученных внутренних поверхностей τв понижается до температуры точки росы t_т.р и ниже. Следствием является конденсация водяных паров на поверхностях и увлажнение наружных ограждающих конструкций.

Для предотвращения данного неблагоприятного теплофизического процесса необходимо утепление необлучаемых элементов теплового контура зданий до величины сопротивления теплопередаче, при котором τ_в > t_т.р, то есть должно соблюдаться условие R_о^л = 1,67R_о^к. Применяемая в некоторых случаях установка в верхней зоне помещений дополнительных систем конвективного или воздушного отопления для уменьшения дефицита теплоты снижает эффект экономии энергии от применения систем лучистого отопления.

Вывод — выполнение необходимого по теплофизическим требованиям условия недопустимости конденсации на внутренних поверхностях наружных ограждений (τ_в > t_т.р) дает основание отнести производственные и сельскохозяйственные здания с газовым лучистым отоплением к особому классу по нормированию и расчету величины сопротивления теплопередаче по отношению к зданиям с конвективным или лучистым отоплением.

При новом проектировании или реконструкции систем теплообеспечения применение газового лучистого отопления должно быть обязательно отражено в техническом задании. 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.