Современные системы инфракрасного отопления

Статья «Аква-Терм» №06, 2008

Немного теории

Главное отличие лучистого отопления от отопления посредством систем других типов заключается в механизме достижения требуемой температуры в помещении и распределения тепла.

При инфракрасном отоплении обогрев помещения происходит главным образом за счет лучистого теплообмена между источниками тепла — лучистыми обогревателями и поверхностями строительных конструкций, различных объектов, находящихся в обслуживаемой зоне. Попадая на поверхность ограждений и предметов, излучение частично поглощается и частично отражается ими. При отражении имеет место так называемое вторичное излучение.

Температура поверхностей, находящихся под воздействием лучей системы отопления, превышает температуру окружающего воздуха. В условиях установившегося теплового режима эта разница обычно составляет 1-2 °С для металлических поверхностей и 3,5-5 °С -для неметаллических. При конвективном отоплении температура воздуха, наоборот, превышает температуру поверхностей строительных конструкций и предметов.

Конвективные системы, к которым относятся воздушные, радиаторные и конвекторные, нагревают воздух в помещении до необходимой температуры. В помещениях небольшого объема (квартира, офис) это не приводит к заметному увеличению расхода тепла. Другая ситуация возникает при отоплении крупных производственных или коммерческих помещений высотой 5 м и более. В данном случае поднимающийся к потолку нагретый воздух создает значительный градиент температур, следствием чего является так называемая тепловая подушка в верхней зоне помещения. Теплопотери объекта при этом значительно возрастают.

Возникающие при этом температурные условия близки к природным, когда в солнечный день, за счет получения части энергии от излучения, человек чувствует себя комфортно даже при умеренной (15—16 °С) температуре воздуха.

Остановимся подробнее на механизме воздействия лучистого отопления на человеческий организм. Как правило, теплоотдача человека осуществляется следующим образом: 50 % — излучением, 25 % — конвекцией, 22 % — с испарением и 3 % — с дыханием. Таким образом, на излучение приходится половина всех теплопотерь. Идеально было бы и компенсировать потери тепловой энергии человеком с учетом данных пропорций. Как уже говорилось, в процессе лучистого обогрева имеет место нагрев электромагнитными волнами инфракрасного диапазона поверхностей предметов. Благодаря этому разница температур между телом человека и предметами уменьшается, вследствие чего снижаются теплопотери человека излучением в направлении этих поверхностей и улучшается его тепловой баланс.

В зависимости от интенсивности и длины волны инфракрасного излучения, реакции человеческого организма на его воздействие могут быть оптимальными, допустимыми и повреждающими. По данным отечественных специалистов по гигиене труда, повреждающие реакции возникают при превышении порогов интенсивности излучения, зависящих от длины волны. Например, при длине волны 1,5 мкм порог повреждающего воздействия составляет 50,3 или 6 мкм — 100,4,5 мкм — 150 Вт/м2. Нормативные же требования по уровню интенсивности теплового облучения установлены ГОСТ 12.1.005-88. Человеческое тело излучает тепло в диапазоне 3-50 мкм. Пик приходится на 9,6 мкм. При воздействии на организм волн данной длины происходит активное поглощение внешней энергии. При этом на клеточном уровне активизируются по-зитивные процессы. Напротив, излучение с длиной волны менее 2,27 мкм отрицательно влияет на здоровье человека.

Подытожим: основное преимущество лучистого отопления перед конвективным заключается в возможности создания комфортных температурных условий при более низкой (на 3-5 °С) температуре воздуха. Лучистая энергия без промежуточного носителя направленно поступает непосредственно в обслуживаемую зону, что также приводит к снижению теплопотерь. В среднем, применение систем лучистого отопления приводит к экономии 25-40 % тепловой энергии в производственных помещениях высотой 5 м и более.

В зависимости от количества и расположения по площади помещения системы лучистого отопления можно разделить на: локальные (отопление отдельных рабочих мест), зональные (отапливается значительная площадь помещения) и общее отопление (отопление по всей площади здания). Лучшие микроклиматические условия обеспечиваются лучистым отоплением по всей площади.
К сожалению, в климатических условиях восточноевропейских стран, в том числе и Украины, не нарушая требований ГОСТ 12.1.005-88, невозможно создать локальные системы отопления отдельных рабочих мест. Все такие реально существующие системы эксплуатируются с грубым нарушением санитарно-гигиенических требований. Однако опыт показывает, что создать зональное отопление в климатических условиях нашей страны возможно. В зависимости от региона и состояния объекта зона отопления должна составлять как минимум 40-50 % общей площади помещения.
Полная классификация инфракрасных обогревателей включает «светлые» высокотемпературные излучатели (температура излучающей поверхности — 800-1200 °С), «темные» (300-600 °С) и «супертемные» (150-400 °С). Однако на практике в Украине применяются только «светлые» и «темные» приборы.

Виды топлива

Широкое применение для отопления производственных и коммерческих помещений получили инфракрасные «темные» газовые обогреватели (ИТГО). Обычно лучистые системы отопления, созданные на базе ИТГО, применяются для цехов средней высоты от 4 до 20 м. Однако имеются реальные примеры отопления этими излучателями и цехов высотой до 40 м. Главное при разработке лучистой системы отопления — не только параметры зданий, но и опыт, знания специалистов, которые берутся за дело. Минимальная высота подвески зависит от мощности излучателя и не может быть меньше 4 м (ДБН В.2.5-20-2001).

Процесс горения в камерах сгорания «темных» или «супертемных» излучателей организован следующим образом: природный газ или другие виды топлива (жидкое топливо, сжиженный газ) поступают в блочную горелку и сжигаются внутри закрытой стальной или алюминизированной трубы, которая при нагреве становится источником инфракрасного излучения (рис. 2). Продукты сгорания удаляются принудительно при помощи вентилятора и не попадают в помещение: применение «темных» излуча-телей не требует принудительной вентиляции помещения.

«Темные» обогреватели производятся основными производителями в диапазоне мощности 10-60 кВт и с длиной 4,6-24 м, «супертемные» могут достигать в длину до 350 м и мощности в 500 кВт. По форме излучающей трубки различают I-образные (линейные) и U-образные (более короткие) обогреватели.

«Супертемные» обогреватели входят в состав длинных систем различной конфигурации с одним горелочным блоком, собираемых в соответствии с геометрией помещения и необходимостью в обогреве локальных зон для отопления крупных цехов.

За рубежом принято размещать излучающие трубы «супертемных» обогревателей внутри, а горелочный блок — за пределами отапливаемого помещения. В восточно-европейских странах размещение блока горелки за пределами здания, исходя из климатических условий, проблематично по причине так называемых холодных стартов.

Блочные приборы позволяют осуществлять сборку мультигорелочных систем сложной конфигурации. Горелки всех излучателей, входящих в ее состав, подключаются к одному дымососу. Пример такого оборудования — система Multi-Eurad фирмы Carlieuklima (Италия), в состав которой может входить до восьми блочных излучателей типа ММЕ мощностью от 27 до 51,9 кВт и длиной до 18 м каждый.

Как и в других областях отопительной техники, производители инфракрасных обогревателей стремятся реализовывать в конструкциях выпускаемых приборов инновационные решения, направленные на повышение экономичности, экологичности и безопасности их работы. Например, такое техническое решение, как рециркуляция дымовых газов, широко применяется в горелочной технике. Примером его реализации в инфракрасных излучателях может служить U-образный прибор Infra 12R Plus мощностью 60 кВт, разработанный итальянской фирмой Systema или излучатели класса «Е» словацкой фирмы Adrian. Часть продуктов сгорания не выводится в дымовую трубу, а подается обратно к горелке через рециркуляционную трубку, соединяющую установленные на противоположных концах излучающей трубы блоки вытяжного вентилятора и горелки.

Возврат части продуктов сгорания уменьшает парциальное давление кислорода в зоне горения, что приводит к понижению температуры в самой горячей области факела и, следовательно, меньшему образованию оксидов азота. Это происходит без потери тепловой мощности горелочного устройства — часть газа, не получившего кислород для быстрого окисления за соплом, сгорает позже. Факел удлиняется, что способствует более равномерному нагреву излучающей трубы.

В качестве одной из новейших разработок приведем специальную огневую головку Agramox, анонсированную известным производителем инфракрасных обогревателей «темного» типа Kubler (Германия) и созданную совместно с компанией E.ON (ранее — Ruhrgas). В результате ее применения содержание в дымовых газах оксидов азота (NOx) и угарного газа (СО) настолько мало, что продукты сгорания могут напрямую, без доочистки, подаваться в теплицы. Содержащийся в них углекислый газ будет служить своеобразным удобрением для растений. В настоящее время продукт готовится к выходу на рынок. Автоматизация работы излучателей снижает потребление энергии и облегчает управление ими. Например, система IQ словацкой фирмы Adrian предусматривает оснащение каждого прибора микропроцессорным контроллером Adrian-Control, позволяющим запрограммировать режим его работы. При этом оптимизация процесса горения производится автоматически и не требует дополнительных устройств. Такие приборы могут быть объединены в комплексные системы отопления больших помещений, микроклимат в которых будет максимально соответствовать заданным параметрам. Наряду с излучателями в единую интеллектуальную сеть можно включить воздухонагреватели, дестратификаторы, воздушные завесы, датчики внутренней и наружной температуры и т.д. Управление системой производится удаленно (с персонального компьютера диспетчера) или непосредственно на объекте (пультом, через инфракрасный порт).

Заметим, что «супертемные» обогреватели европейских производителей обычно выпускают как в газовом, так и в жидкотопливном исполнении. Переход с одного вида топлива на другой осуществляется посредством замены горелки. Однако по маркетинговым (соотношение цены и экcплуатационных показателей) причинам такие приборы на украинском рынке обычно позиционируются как газовые.

«Темные» излучатели могут работать как на природном, так и сжиженном газе. Перевод инфракрасного обогревателя с одного вида газа на другой производится заменой форсунки и перенастройкой регулятора давления. Это позволяет организовать автономное отопление объекта вне зависимости от наличия подключения к газовой магистрали, а также согласования и получения технических условий на газоснабжение.

В газовых инфракрасных обогревателях «светлого» типа (обозначаются ГИИ согласно ДБН) отсутствует система удаления дымовых газов. Вместе с более высокими, чем у «темных» приборов, плотностью потока излучения и КПД лучистой составляющей это определило их область применения: стадионы и другие открытые площадки, помещения с высоким — более 7м- потолком. Кроме того, «светлые» излучатели применяют в таких технологических процессах, как сушка, термообработка, технологический нагрев, разморозка вагонов и т.д.

В обогревателях «светлого» типа газ под давлением подается в специальную камеру и смешивается с воздухом, затем газовоздушная смесь через поры попадает на поверхность керамических пластин, снабженных множеством отверстий, где и происходит сгорание.

Нагреваясь, пластины становятся источником инфракрасного излучения (рис. 3). Для усиления эффекта обогрева, направления излучения в обогреваемую зону и снижения теплопотерь над излучателем размещается отражатель, изготавливаемый из полированной нержавеющей стали или алюминия.

У «светлых» излучателей отражатели не изолируются по причине отсутствия необходимости, у «темных» — изоляция отражателя применяется для поднятия лучистого КПД прибора, если этого требует здание или излучатель сам по себе не способен без изоляции отражателя обеспечить пристойный лучевой КПД. У «супертемных» отражатель изолирован практически всегда. Ведь излучатель -«низкотемпературный».

При монтаже газовых обогревателей необходимо соблюдать требования по размещению горелок на безопасном расстоянии от горючих материалов, а также учитывать категорию помещения и предписания по вентиляции (регламентируется ДБНВ.2.5-20-2001).

Отдельную нишу среди инфракрасных излучателей занимают мобильные обогреватели, различающиеся по областям при-менения и источнику энергии.

Переносные приборы, сконструированные для работы на сжиженном газе, используются для временного создания комфортных условий на небольших открытых площадках — террасах ресторанов, приусадебных участках и т.д. Типичная компоновка такого прибора представляет собой (снизу вверх) цилиндрический корпус в основании, стойку, инжекционную горелку низкого давления и конусообразный отражатель («зонтик»). В корпусе размещается баллон для сжиженного газа, шланг от которого проходит внутри стойки. Зона горения локализована металлическим сетчатым излучателем. Блок ручного управления (пьезорозжиг, регулятор мощности) находится в верхней части стойки.
Для локального обогрева производственных помещений (строительные объекты, склады, мастерские), а также технологических процессов (нагрев трубопроводов, оттаивание, просушка) применяют мобильные инфракрасные теплогенераторы на жидком топливе (рис. 4). Примером такого прибора может служить обогреватель Kroll IR33 мощностью 33 кВт. Горелка с рефлектором, установленная на мобильной платформе, позволяет менять угол наклона. Аппарат оснащен топливной емкостью объемом 46 л, потребление кото-рого составляет 2,78 л/ч.

Другие решения

История инфракрасного отопления насчитывает более ста лет: первые дома, отапливаемые посредством встроенных в бетонные стены труб с теплоносителем (вода или пар), появились в России в начале XX в. Позднее подобные схемы широко использовались в СССР для отопления общественных и жилых зданий. В наше время развитие технологии применения нагретой воды в системах лучистого обогрева привело к распространению модульных водяных потолочных панелей.

Панели используют воду центрального отопления и не требуют ни организации отвода продуктов сгорания, ни вентиляции помещения. Рынком предлагается сегодня широкий ассортимент таких приборов, предназначенных для достаточно эффективного отопления различных объектов с высотой потолков до 15 м.

Пожаробезопасность этих систем позволяет применять их на специальных объектах (например, деревообрабатывающего, лакокрасочного и бумажного производства). В помещениях высотой от 2,5 м могут использоваться низкотемпературные (от 40 °С) панели.

Конструкция панели представляет собой стальной или алюминиевый излучающий экран, внутри которого проходят стальные или медные трубки (рис.4.). Верхняя часть экрана имеет теплоизоляцию. Использование воды в качестве теплоносителя позволяет с высокой точностью управлять мощностью работы системы с помощью регуляторов объемного потока, настроенных на заводе с учетом требований проекта.

Современные системы имеют модульную конструкцию. Так, в состав системы Zehnder ZIP входят модули шириной 320 мм и длиной 2,3,4, 5 или 6 м, что позволяет подобрать комбинацию для помещений любой длины и ширины. Специальные исполнения предлагаются для помещений с повышенной влажностью (бассейны, автомойки) и повышенными требованиями к гигиене (операционные), для встроенного монтажа в фальшпотолках из гипсокартона. Комбинированные модели способны работать в режиме охлаждения.

Разработчики инфракрасных потолочных панелей уделяют особое внимание дизайну приборов, предлагая, в частности, оборудование широкой цветовой гаммы. Среди представленных водяных потолочных панелей — продукция Carlieuklima (Италия), Frico (Швеция), Zehnder (Германия), Kotrbaty (Чехия) и других компаний.

Отметим, что за рамками этой статьи остался отдельный класс инфракрасных обогревателей — электрических. Область их применения охватывает не только бытовой обогрев, но и промышленное отопление с установкой на высоте до 20 м.