ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ

Система лучистого отопления существует порядка двух тысяч лет. Ранее такие системы в качестве теплоносителя использовали дымовые газы, в дальнейшем нагретый воздух. Использование данных систем началось в России еще с 1950 годов. Также отпечатки зарождения такого вида отопления запечатлены в Азии, Европе на территории Римской империи [5]

На данный момент актуальными приборами лучистого отопления являются газовые инфракрасные горелки (ГИИ), существуют разные по типу исполнения приборы, основными производителями данного оборудования являются: Schwank, Carlieuklima, Fraccaro, Roberts Gordon, GoGas, Kubler, Solaronics и многие другие.

В работе [1] автор поясняет, что лучистым отоплением – является способ отопления, для которого температура воздуха tв , ниже температуры радиационной температуры в помещении tr.

tr > tв

С помощью данного вида отопления, помещение обогревается за счет лучистого теплообмена между поверхностью ограждающих конструкций и отопительными панелями. Это излучение, попадая на предметы окружения или различные другие поверхности, частично отражается, частично поглощается. С помощью лучистого теплообмена увеличивается температура на внутренней поверхности конструкций, по сравнению с конвективным отоплением.

Одни из основополагателей в развитии систем лучистого отопления является Родин А.К. в его работах [9-14] рассмотрены гигиенические и биологические особенности инфракрасного обогрева, микроклимат в помещениях при лучистом отоплении, проектирование лучистого отопления для производственных помещений и животноводческих, а также особенности расчета газовых излучающих горелок.

В настоящее время существуют два типа газовых излучателей. Закрытой конструкции «темный» или низкотемпературный, при котором происходит сгорание газовоздушной смеси в радиационной трубе при температуре менее 700 °C с организованным отводом продуктов сгорания за пределы помещения. Длина электромагнитной волны от 3 до 6 мкм. Открытой конструкции, «светлый», или высокотемпературный с беспламенным сгоранием газовоздушной смеси на поверхности пористой керамической плитки при температуре более 700 °С c участием продуктов сгорания в общем тепломассообмене помещения. Длина электромагнитной волны от 1,5 до 2,5 мкм. Излучатели светлого типа не используются для обогрева участков помещений с постоянным нахождением человека, т.к. пагубно влияют на его здоровье, вместо них применяют темные излучатели. Газовые инфракрасные излучатели представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. а) Светлый ГИИ; б) Темный ГИИ.

Определено, что биологическое действие лучистого отопления по большей степени оказывает благоприятные ощущения при определенной интенсивности теплового потока. Тепловое излучение длина волны, которой свыше 2 мкм в основном генерируется кожей, то излучение длинной менее 1,5 мкм повышает температуру крови и частично нагревает поверхность кожи при прохождении через нее. При использовании лучистого отопления, человек большую часть избыточного тепла отдает с помощью конвекции окружающему его воздуха, что благоприятно влияет на самочувствие.

При проектировании лучистой системы отопления важным параметром является плотность облучения площадей, он нормируется по максимальному значению и не должен быть больше определенного уровня при требуемых условиях труда [3, 14-21].По своду правил [17], максимальная поток лучистого облучения для рук, ног и поверхности туловища не должен быть больше 250 Вт/м² на непостоянных 150 Вт/м² на постоянных рабочих местах.

Автор работы [5]  считает, что поток лучистой теплоты, настигающий поверхность лица, не должен быть больше 350 Вт/м². [16] приводит диапазон значений интенсивности лучистой теплоты, при которых обеспечиваются комфортные условия для головы человека, который составляет 112-175 Вт/м², Коллмар [22] рекомендовал интенсивность потока до 550 Вт/м^2.

Расчет интенсивности теплового потока является сложным процессом, вероятно из-за этого производители в паспортах газовых излучателей не предоставляют эпюры облучения. Расчетным путем поверхностную плотность энергии можно определить по формуле [9]:

Где  Tu – температура излучающей поверхности, К;  a*b – габариты излучающего насадка, м²;  h – высота подвеса излучателя, м; Co  – коэффициент излучения абсолютно черного тела, 5,67 Вт/м²К⁴; ε – степень черноты конструкции излучателя.

Избыточная концентрация лучистой энергии ведет ко многим негативным последствиям, как технологическим, так и гигиеническим. Например, под действием инфракрасного облучения интенсивностью 308 Вт/м² в течение 20 минут человека могут появиться симптомы шока, связанного с потерей сознания. Не адаптировавшиеся люди жалуются на сердечную аритмию, боли в животе, спазмы кишечника, сонливость [5]. В работах [10, 11, 14] можно ознакомиться с экспериментальными и теоретическими методами определения плотности лучистого потока от излучающих горелок, и их результатами.

При проектировании лучистого отопления с газовыми горелками, требуется устраивать приточно-вытяжную общеобменную вентиляцию, которая обеспечивает содержание окиси углерода в воздухе промышленных зданиях не выше 6 мг/м3, это при критерии, что рабочий процесс в них не сопутствует выделением этой окиси. По своду правил [2, 17] газовые инфракрасные горелки допускается использовать при условии удаления продуктов сгорания, обеспечивая ПДК вредных веществ. Вытяжные устройства следует располагать выше установки излучателей, а приточные – выше зоны излучения.

Если газовое лучистое отопление выполнено без отводов продуктов сгорания, требуется устроить приточно-вытяжную общеобменную вентиляцию, с механическим или естественным побуждением. Удаление воздуха должно осуществляться из верхней зоны, выше уровня горелок. Если в горелках сжигается сжиженный газ, то требуется предусматривать дополнительное удаление воздуха из нижней зоны помещения, которая будет функционировать в аварийных случаях.

Экономичность данных систем отопления обеспечивается возможностью создания комфортных условий для человеческого организма при температуре воздуха в обогреваемом помещении на несколько градусов ниже, чем при использовании в других систем. В работах [3, 7] приведены исследования санитарно-гигиенических аспектов связанных с теплообменом человека и окружающей его средой. В результате исследований была доказана эффективность радиационного обогрева, которая заключалась в возможности снижения температуры окружающего воздуха без нарушения теплового комфорта. Снижение температуры за счет использования лучистого отопления на 1°С экономит около 7% энергии. Согласно своду правил [17], температуру воздуха в рабочей или обслуживаемой зоне производственного здания допускается снижать на 4 °C ниже минимально допустимой температуры в холодный период года. В результате, экономический эффект от использования систем газового лучистого отопления в сравнении с традиционными системами отопления – составляет порядка 25-35%.

Основы теплового баланса подробно описаны в работах [6, 23]. Однако, исследования проводились с допущением направления теплового потока исключительно в рабочую зону помещения, а также равномерности распределения температур воздуха и ограждающих конструкций по высоте помещения. При этом известно, что при высоте помещения 10 метров разность температур в рабочей зоне и на уровне потолка может достигать 16°С для воздуха и 12°С для стен.

В [5] даны рекомендации по применению горелок инфракрасного излучения, для разных отраслей промышленности и их процессов. Обработка различных изделий и материалов, к ним относится: сушка древесины, лакокрасочных покрытий, восстановление сыпучести смерзающихся материалов, кроме этого рассмотрены примеры обогрева закрытых и открытых площадок. На рисунке 2 представлена сушилка, оборудованная ленточным транспортером. Для отвода продуктов сгорания и водяных паров предусмотрена вытяжная труба. Нагрев материала происходит с помощью газовых горелок, расположенных в одну линию. Расстояние и высота подвеса горелок зависит от типа высушиваемого материала.

Рисунок 2. Принципиальная схема туннельной сушилки. 1 – бункер для влажного материала; 2 – шибер; 3 – газовые горелки инфракрасного излучения; 4 – подвод газа; 5 – выход сухого материала; 6 и 7 – подвод и выход продуктов сгорания и испарения; 8 – транспортная лента.

Богословский В.Н. в работе [6] рассматривает панельно-лучистые приборы отопления, их особенности, приводит расчет теплопередачи и их проектирование. Этот вид приборов используются в жилых зданиях, детских дошкольных учреждениях, родильных домах, операционных, а также для вокзалов, ангаров и аэропортов.

Работа [8] представляет собой актуализированный и систематизированный сборник всех технических и теоретических изложений, связанных с системами газового лучистого отопления. К ним относится рекомендации по размещению приборов отопления, подбор, монтажи настройка излучателей. В книге приводится оптимальный угол наклона к горизонтальной плоскости, который не должен превышать 45°С для светлых излучателей, и 30°С для темных. Приоритетное размещение излучателей – друг напротив друга под наклоном, схемы излучателей представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Варианты размещения излучателей.

Можно выделить следующие преимущества газовых горелок, независимо  от  типа излучателя: обеспечивают экономное потреблением энергии для  обогрева помещений с учетом изменения температуры  наружного воздуха, отсутствуют  движение  воздушных  масс  и  пыли, имеют минимальный шум при работе излучателей или полное его отсутствие, экономия полезной площади помещений, т.к. приборы размещаются наверху.

К недостаткам можно отнести следующее: Газовые излучатели нельзя использовать в помещениях категории А и Б, требуется дополнительного согласование на размещение в категории В, степень  безопасности  для  людей  зависит  от  типа  излучателя.  Кроме  того, эффективность  лучистого отопления зависит от высоты помещения, правильности теплотехнических расчетов, правильности применения тех или иных  излучателей, системы управления работой излучателей.

1. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление : учебник для вузов – Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ), 2008
2. СП 42-101-2003 Свод правил по проектированию и строительству. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб. – М.: ЗАО «Полимергаз», ГУП ЦПП, 2003. – 199 с.
3. Пономарева, Н. К. Основные гигиенические параметры систем лучистого отопления / Н. К. Пономарева // Водоснабжение и санитарная техника. – 1957. – № 8. – С. 19-24.
4. Раяк, М. Б. Развитие зарубыежных и отечественных систем отопления и вентиляции гражданских и производственных зданий / М. Б. Раяк. — Москва : Новости теплоснабжения, 2007. — 183 c.
5. Мачкаши, А. Лучистое отопление / А. Мачкаши, Л. Банхиди; пер. с венгерского В. М. Беляева, под ред. В. Н. Богословского и Л. М. Махова. – М.: Стройиздат, 1985.
6. Богословский, В. Н. Отопление / В. Н. Богословский, А. Н. Сканави. – М.: Стройиздат., 1991. –735 с.
7. Горомосов, М. С., Ципер, Н. А. К вопросу о гигиенической оценке систем лучистого отопления / М. С. Горомосов, Н. А. Ципер // Гигиена и санитария. – 1967. – № 22y6 – С. 20-28.
8. Молька В. Три «Э» в отоплении промышленных помещений. Киев, 2005
9. Родин, А. К. Газовое лучистое отопление/А. К. Родин.-Л.: Недра, 1987.–191 с.
10. Родин, А. К. Определение плотности излучения от газовых инфракрасных излучателей / А. К. Родин // Использование газа в народном хозяйстве. Выпуск 4. – 1965. – С. 240-246.
11. Родин, А. К. Определение доли излучения фронта горения в газовых излучающих горелках / А. К. Родин, Л. Б. Иванова // Распределение и сжигание газа в газовых излучающих горелках – 1978. – С. 143-146.
12. Родин, А. К. Применение газовых инфракрасных излучателей для обогрева производственных помещений и открытых площадок: автореф. дис. … канд. техн. наук / Родин Артур Константинович. – Саратов, 1968. – 23 с.
13. Родин, А. К. Определение основных теплотехнических параметров систем лучистого отопления с газовыми инфракрасными излучателями / А. К. Родин // Распределение и сжигание газа. – 1976. – № 2. – С. 14-24.
14. Родин, А. К. Применение излучающих горелок для отопления / А. К Родин. – Л.: Недра, 1976.-117 с.
15. Банхиди, Л. Тепловой микроклимат помещений / Л. Банхиди. – М.: Стройиздат., 1981.-247 с.
16. Горомосов, М. С., Ципер, Н. А. К вопросу о гигиенической оценке систем лучистого отопления / М. С. Горомосов, Н. А. Ципер // Гигиена и санитария. – 1967. – № 22y6 – С. 20-28.
17. СП 60.13330.2016 Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003. – М.: Минрегион России, 2012. – 81 с.
18. Шиванов, В. В. Обеспечение теплового режима производственных помещений системами газового лучистого отопления: дис. канд. техн. наук: 05.23.03 / Шиванов Владимир Владимирович. – Нижний Новгород, 2007. – 134 с.
19. Гвозденко, Л. А. Обоснование допустимых нормативов облученности инфракрасным излучением в зависимости от его спектрального состава /
20. Л. А. Гвозденко // Медицина труда и промышленная экология. – 1999. – № 12. – С. 13-18.
21. Михайлова, Л. Ю. Разработка методики расчета радиационного отопления зданий производственного назначения: дис. … канд. техн. наук: 05.23.03 / Михайлова Лариса Юрьевна. – Тюмень, 2006. – 114 с.
22. Kollmar, F., Lise, W. Die Strahlungsheizung / F. Kollmar, W. Lise. – Munchen Springer, 1957.-142 p.
23. Богомолов, А. И. Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение / А. И. Богомолов, Д. Я. Вигдорчик, М. А. Маевский. – М: Стройиздат, 1967.-255 с

Все статьи автора «Волгин Андрей Евгеньевич»