Сучасні системи інфрачервоного опалення

Стаття "Аква-Терм" №06, 2008

Трохи теорії

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

При інфрачервоному опаленні обігрів приміщення відбувається головним чином за рахунок променистого теплообміну між джерелами тепла - променистими обігрівачами та поверхнями будівельних конструкцій, різних об'єктів, що знаходяться в зоні, що обслуговується. Потрапляючи на поверхню огорож та предметів, випромінювання частково поглинається і частково відбивається ними. При відображенні має місце так зване вторинне випромінювання.

Температура поверхонь, що під впливом променів системи опалення, перевищує температуру навколишнього повітря. В умовах теплового режиму ця різниця зазвичай становить 1-2 ° С для металевих поверхонь і 3,5-5 ° С - для неметалевих. При конвективному опаленні температура повітря, навпаки, перевищує температуру поверхонь будівельних конструкцій та предметів.

Конвективні системи, до яких належать повітряні, радіаторні та конвекторні, нагрівають повітря в приміщенні до необхідної температури. У приміщеннях невеликого обсягу (квартира, офіс) це не призводить до помітного збільшення тепла. Інша ситуація виникає при опаленні великих виробничих чи комерційних приміщень заввишки 5 м і більше. У цьому випадку нагріте повітря, що піднімається до стелі, створює значний градієнт температур, наслідком чого є так звана теплова подушка у верхній зоні приміщення. Тепловтрати об'єкта у своїй значно зростають.

Температурні умови, що виникають при цьому, близькі до природних, коли в сонячний день, за рахунок отримання частини енергії від випромінювання, людина почувається комфортно навіть при помірній (15—16 °С) температурі повітря.

Зупинимося докладніше на механізмі впливу променистого опалення на організм людини. Як правило, тепловіддача людини здійснюється таким чином: 50% - випромінюванням, 25% - конвекцією, 22% - з випаровуванням та 3% - з диханням. Таким чином, на випромінювання припадає половина всіх тепловтрат. Ідеально було б компенсувати втрати теплової енергії людиною з урахуванням даних пропорцій. Як мовилося раніше, у процесі променистого обігріву має місце нагрівання електромагнітними хвилями інфрачервоного діапазону поверхонь предметів. Завдяки цьому різниця температур між тілом людини та предметами зменшується, внаслідок чого знижуються тепловтрати людини випромінюванням у напрямку цих поверхонь та покращується її тепловий баланс.

Залежно від інтенсивності та довжини хвилі інфрачервоного випромінювання, реакції людського організму на його вплив можуть бути оптимальними, допустимими та ушкоджуючими. За даними вітчизняних фахівців з гігієни праці, ушкоджуючі реакції виникають при перевищенні порогів інтенсивності випромінювання, що залежать від довжини хвилі. Наприклад, при довжині хвилі 1,5 мкм поріг шкідливого впливу становить 50,3 або 6 мкм - 100,4,5 мкм - 150 Вт/м2. Нормативні вимоги щодо рівня інтенсивності теплового опромінення встановлені ГОСТ 12.1.005-88. Людське тіло випромінює тепло у діапазоні 3-50 мкм. Пік посідає 9,6 мкм. При впливі на організм хвиль даної довжини відбувається активне поглинання зовнішньої енергії. При цьому на клітинному рівні активізуються позитивні процеси. Навпаки, випромінювання з довжиною хвилі менше ніж 2,27 мкм негативно впливає на здоров'я людини.

Підсумуємо: основна перевага променистого опалення перед конвективним полягає у можливості створення комфортних температурних умов за нижчої (на 3-5 °С) температури повітря. Променева енергія без проміжного носія спрямовано надходить безпосередньо в зону, що обслуговується, що також призводить до зниження тепловтрат. У середньому застосування систем променистого опалення призводить до економії 25-40% теплової енергії у виробничих приміщеннях висотою 5 м і більше.

Залежно від кількості та розташування за площею приміщення системи променистого опалення можна розділити на: локальні (опалення окремих робочих місць), зональні (опалюється значна площа приміщення) та загальне опалення (опалення по всій площі будівлі). Найкращі мікрокліматичні умови забезпечуються променистим опаленням по всій площі.
На жаль, у кліматичних умовах східноєвропейських країн, у тому числі й України, не порушуючи вимоги ГОСТ 12.1.005-88, неможливо створити локальні системи опалення окремих робочих місць. Усі такі реально існуючі системи експлуатуються із грубим порушенням санітарно-гігієнічних вимог. Однак досвід показує, що створити зональне опалення у кліматичних умовах нашої країни можливо. Залежно від регіону та стану об'єкта зона опалення має становити щонайменше 40-50 % загальної площі приміщення.
Повна класифікація інфрачервоних обігрівачів включає "світлі" високотемпературні випромінювачі (температура випромінюючої поверхні - 800-1200 ° С), темні (300-600 ° С) і супертемні (150-400 ° С). Однак на практиці в Україні застосовуються лише «світлі» та «темні» прилади.

Види палива

Широке застосування для опалення виробничих та комерційних приміщень отримали інфрачервоні «темні» газові обігрівачі (ІТГО). Зазвичай променисті системи опалення, створені на базі ІТГО, застосовуються для цехів середньої висоти від 4 до 20 м. Однак є реальні приклади опалення цими випромінювачами і цехів висотою до 40 м. Головне при розробці променистої системи опалення - не тільки параметри будівель, але й досвід, знання фахівців. Мінімальна висота підвіски залежить від потужності випромінювача і може бути менше 4 м (ДБН В.2.5-20-2001).

Процес горіння в камерах згоряння «темних» або «супертемних» випромінювачів організований наступним чином: природний газ або інші види палива (рідке паливо, скраплений газ) надходять у блоковий пальник і спалюються всередині закритої сталевої або алюмінієвої труби, яка при нагріванні стає джерелом інфракції. Продукти згоряння видаляються примусово з допомогою вентилятора і потрапляють у приміщення: застосування «темних» випромінювачів не вимагає примусової вентиляції приміщення.

"Темні" обігрівачі виробляються основними виробниками в діапазоні потужності 10-60 кВт і з довжиною 4,6-24 м, супертемні можуть досягати в довжину до 350 м і потужності 500 кВт. За формою випромінюючої трубки розрізняють I-подібні (лінійні) і U-подібні (короткіші) обігрівачі.

«Супертемні» обігрівачі входять до складу довгих систем різної конфігурації з одним пальниковим блоком, що збираються відповідно до геометрії приміщення та необхідності в обігріві локальних зон для опалення великих цехів.

За кордоном прийнято розміщувати випромінюючі труби «супертемних» обігрівачів усередині, а пальниковий блок - за межами опалювального приміщення. У східноєвропейських країнах розміщення блоку пальника за межами будівлі, виходячи з кліматичних умов, проблематичне через так звані холодні старти.

Блокові прилади дозволяють здійснювати складання мультигорілчаних систем складної конфігурації. Пальники всіх випромінювачів, що входять до її складу, підключаються до одного димососу. Приклад такого обладнання – система Multi-Eurad фірми Carlieuklima (Італія), до складу якої може входити до восьми блочних випромінювачів типу ММЕ потужністю від 27 до 51,9 кВт та довжиною до 18 м кожен.

Як і в інших областях опалювальної техніки, виробники інфрачервоних обігрівачів прагнуть реалізовувати в конструкціях приладів, що випускаються, інноваційні рішення, спрямовані на підвищення економічності, екологічності та безпеки їх роботи. Наприклад, таке технічне рішення, як рециркуляція димових газів, широко застосовується в пальниковій техніці. Прикладом його реалізації в інфрачервоних випромінювачах може бути U-подібний прилад Infra 12R Plus потужністю 60 кВт, розроблений італійською фірмою Systema або випромінювачі класу "Е" словацької фірми Adrian. Частина продуктів згоряння не виводиться в димар, а подається назад до пальника через рециркуляційну трубку, що з'єднує встановлені на протилежних кінцях випромінюючої труби блоки витяжного вентилятора і пальника.

Повернення частини продуктів згоряння зменшує парціальний тиск кисню в зоні горіння, що призводить до зниження температури в гарячій області факела і, отже, меншого утворення оксидів азоту. Це відбувається без втрати теплової потужності пальника — частина газу, що не отримав кисень для швидкого окислення за соплом, згоряє пізніше. Смолоскип подовжується, що сприяє більш рівномірному нагріванню випромінюючої труби.

Як одна з новітніх розробок наведемо спеціальну вогневу головку Agramox, анонсовану відомим виробником інфрачервоних обігрівачів «темного» типу Kubler (Німеччина) і створену спільно з компанією E.ON (раніше Ruhrgas). Внаслідок її застосування вміст у димових газах оксидів азоту (NOx) та чадного газу (СО) настільки мало, що продукти згоряння можуть безпосередньо, без доочищення, подаватися в теплиці. Вуглекислий газ, що міститься в них, буде своєрідним добривом для рослин. В даний час продукт готується до виходу на ринок. Автоматизація роботи випромінювачів знижує споживання енергії та полегшує керування ними. Наприклад, система IQ словацької фірми Adrian передбачає оснащення кожного пристрою мікропроцесорним контролером Adrian-Control, що дозволяє запрограмувати режим його роботи. При цьому оптимізація процесу горіння здійснюється автоматично та не потребує додаткових пристроїв. Такі прилади можуть бути об'єднані в комплексні системи опалення великих приміщень, мікроклімат яких максимально відповідатиме заданим параметрам. Поряд із випромінювачами в єдину інтелектуальну мережу можна включити повітронагрівачі, дестратифікатори, повітряні завіси, датчики внутрішньої та зовнішньої температури тощо. Управління системою здійснюється віддалено (з персонального комп'ютера диспетчера) або безпосередньо на об'єкті (пультом через інфрачервоний порт).

Зауважимо, що «супертемні» обігрівачі європейських виробників зазвичай випускають як у газовому, так і рідкопаливному виконанні. Перехід з одного виду палива на інший здійснюється за допомогою заміни пальника. Проте з маркетингових (співвідношення ціни та експлуатаційних показників) причин такі прилади на українському ринку зазвичай позиціонуються як газові.

"Темні" випромінювачі можуть працювати як на природному, так і зрідженому газі. Переведення інфрачервоного обігрівача з одного виду газу на інший здійснюється заміною форсунки та перенастроюванням регулятора тиску. Це дозволяє організувати автономне опалення об'єкта незалежно від наявності підключення до газової магістралі, а також узгодження та отримання технічних умов газопостачання.

У газових інфрачервоних обігрівачах «світлого» типу (позначаються ДІВ згідно з ДБН) відсутня система видалення димових газів. Разом з більш високими, ніж у «темних» приладів, щільністю потоку випромінювання та ККД променистої складової це визначило їх сферу застосування: стадіони та інші відкриті майданчики, приміщення з високою — понад 7м-стелею. Крім того, «світлі» випромінювачі застосовують у таких технологічних процесах, як сушіння, термообробка, технологічне нагрівання, розморожування вагонів тощо.

В обігрівачах "світлого" типу газ під тиском подається в спеціальну камеру і змішується з повітрям, потім газоповітряна суміш через пори потрапляє на поверхню керамічних пластин, з безліччю отворів, де і відбувається згоряння.

Нагріваючись, пластини стають джерелом інфрачервоного випромінювання (рис. 3). Для посилення ефекту обігріву, напрямку випромінювання в зону, що обігрівається, і зниження тепловтрат над випромінювачем розміщується відбивач, що виготовляється з полірованої нержавіючої сталі або алюмінію.

У «світлих» випромінювачів відбивачі не ізолюються через відсутність необхідності, у «темних» — ізоляція відбивача застосовується для підняття променистого ККД приладу, якщо цього вимагає будівля або випромінювач сам по собі не здатний без ізоляції відбивача забезпечити пристойний променевий ККД. У "супертемних" відбивач ізольований практично завжди. Адже випромінювач – «низькотемпературний».

При монтажі газових обігрівачів необхідно дотримуватись вимог щодо розміщення пальників на безпечній відстані від горючих матеріалів, а також враховувати категорію приміщення та приписи з вентиляції (регламентується ДБНВ.2.5-20-2001).

Окрему нішу серед інфрачервоних випромінювачів займають мобільні обігрівачі, що розрізняються по областях застосування та джерела енергії.

Переносні прилади, сконструйовані для роботи на зрідженому газі, використовуються для створення комфортних умов на невеликих відкритих майданчиках — терасах ресторанів, присадибних ділянках і т.д. Типове компонування такого приладу є (знизу вгору) циліндричний корпус у підставі, стійку, інжекційний пальник низького тиску та конусоподібний відбивач («парасолька»). У корпусі розміщується балон для зрідженого газу, шланг від якого проходить усередині стійки. Зона горіння локалізована металевим сітчастим випромінювачем. Блок ручного керування (п'єзорозпал, регулятор потужності) знаходиться у верхній частині стійки.
Для локального обігріву виробничих приміщень (будівельні об'єкти, склади, майстерні), а також технологічних процесів (нагрівання трубопроводів, відтавання, просушування) застосовують мобільні інфрачервоні теплогенератори на рідкому паливі (рис. 4). Прикладом такого приладу може бути обігрівач Kroll IR33 потужністю 33 кВт. Пальник із рефлектором, встановлений на мобільній платформі, дозволяє змінювати кут нахилу. Апарат оснащений паливною ємністю об'ємом 46 л, споживання якого становить 2,78 л/год.

Інші рішення

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.

Панелі використовують воду центрального опалення та не вимагають ні організації відведення продуктів згоряння, ні вентиляції приміщення. Ринок пропонує сьогодні широкий асортимент таких приладів, призначених для досить ефективного опалення різних об'єктів з висотою стель до 15 м.

Пожежна безпека цих систем дозволяє застосовувати їх на спеціальних об'єктах (наприклад, деревообробного, лакофарбового та паперового виробництва). У приміщеннях висотою від 2,5 м можуть використовуватись низькотемпературні (від 40 ° С) панелі.

Конструкція панелі є сталевим або алюмінієвим випромінюючим екраном, усередині якого проходять сталеві або мідні трубки (рис.4.). Верхня частина екрану має теплоізоляцію. Використання води як теплоносія дозволяє з високою точністю керувати потужністю роботи системи за допомогою регуляторів об'ємного потоку, налаштованих на заводі з урахуванням вимог проекту.

Сучасні системи мають модульну конструкцію. Так, до складу системи Zehnder ZIP входять модулі шириною 320 мм та довжиною 2,3,4, 5 або 6 м, що дозволяє підібрати комбінацію для приміщень будь-якої довжини та ширини. Спеціальні виконання пропонуються для приміщень з підвищеною вологістю (басейни, автомийки) та підвищеними вимогами до гігієни (операційні), для вбудованого монтажу у фальшстелях із гіпсокартону. Комбіновані моделі здатні працювати у режимі охолодження.

Розробники інфрачервоних стельових панелей приділяють особливу увагу дизайну приладів, пропонуючи зокрема обладнання широкої колірної гами. Серед представлених стельових панелей - продукція Carlieuklima (Італія), Frico (Швеція), Zehnder (Німеччина), Kotrbaty (Чехія) та інших компаній.

Зазначимо, що за рамками цієї статті залишився окремий клас інфрачервоних обігрівачів електричних. Область їх застосування охоплює не лише побутове обігрів, а й промислове опалення з установкою на висоті до 20 м-коду.