Болотских Н.Н., канд. техн. наук

Харьковский национальный  университет строительства и архитектуры

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ИНФРАКРАСНОМ ОТОПЛЕНИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

 

Для отопления производственных помещений обычно используются традиционные системы  водяного и воздушного отопления. При таких системах отопления  температура у потолка помещения, как правило, значительно выше, чем у пола, так как более теплый воздух поднимается вверх, что ведет к неравномерности распределения температуры по высоте и к существенным потерям тепла в районе кровли. Это обстоятельство приводит к необходимости увеличения мощности систем отопления по мере возрастания высоты помещения.

В последние годы в качестве альтернативы этим  традиционным способом  отопления во многих странах  мира, в том числе и в Украине, стали рассматривать лучистое отопление. Этот вид отопления характеризуется  формированием микроклимата в рабочей зоне помещения за счет прямого  теплового излучения и вторичного излучения от нагретых поверхностей пола и оборудования.

При использовании лучистых (инфракрасных) систем  отопления вследствие направленного излучения в нижнюю зону помещения и передачи тепла лучистым путем непосредственно обогреваемым поверхностям с возрастанием высоты помещения не требуется увеличение мощности всей системы. В этом случае температура в рабочей зоне за счет эффекта прямого обогрева только поверхностей, а не объема воздуха, может быть немного ниже расчетной. В виду того, что при инфракрасном отоплении  лучистым путем направляется тепло непосредственно в нижнюю зону помещения поверхностями с самой высокой температурой являются пол и технологическое оборудование. По этой причине такие системы отопления особенно эффективны в помещениях с большой высотой потолков.

Отечественный и зарубежный опыт применения инфракрасного отопления производственных помещений убедительно доказал следующие его преимущества:

-              существенная экономия расходов энергоресурсов на отопление благодаря особенностям формирования теплового режима в помещении и гибкости управления (в 1,5-2 раза ниже за отопительный период по сравнению  с традиционными системами отопления);

-              высокий уровень тепловой комфортности в рабочей зоне отапливаемого помещения при более низких температурах воздуха в сравнении с нормируемыми при использовании традиционных систем отопления;

-              система лучистого отопления требует меньшего времени для приведения ее в рабочий режим, за счет чего  эксплуатационные расходы ниже,  чем при традиционной конвективной системе;

-              сравнительно небольшие габаритные размеры и вес нагревателей, быстрота их монтажа и удобство технического обслуживания;

-              возможность обогрева отдельных зон или рабочих мест без необходимости обогрева целиком всего помещения;

-              бесшумность работы, отсутствие сквозняков и пыли при их эксплуатации;

-              возможность полной автоматизации системы инфракрасного отопления и программирования дневных, ночных или недельных режимов поддержания необходимой температуры как в целом помещении, так и в отдельных ее зонах.

Мировой   наукой и практикой доказано, что системы отопления с использованием инфракрасных нагревателей (особенно газовых) являются одними из наиболее совершенных, как с точки зрения возможности обеспечения требуемых параметров теплового режима, так и с точки зрения экономической эффективности способов отопления помещений и зданий производственного назначения, а при локальном обогреве рабочих мест, зон и участков, открытых и полуоткрытых площадок использованию инфракрасных систем нет альтернативы. В связи с этим можно утверждать, что существенную экономию энергоресурсов при отоплении производственных помещений можно достигнуть путем замены традиционных систем водяного и воздушного отопления на инфракрасные. При этом следует иметь ввиду и то, что дополнительная экономия энергоресурсов может быть получена также и за счет  выбора оптимальных типов и мощностей инфракрасных нагревателей,  а также рационального размещения их в системе отопления здания или отдельного производственного помещения.

Многими ведущими мировыми компаниями и фирмами для отопления производственных помещений выпускается значительное количество различных типов, конструкций и моделей энергоэффективных инфракрасных нагревателей. Большая часть из них представлена на  рынке СНГ. В работе [1] приведена составленная нами полная их классификация. Наибольшее распространение в практике отопления зданий и помещений производственного назначения получили газовые  инфракрасные нагреватели.

Проведенные исследования [2] показали, что с целью сокращения энергоресурсов на отопление, а также соблюдения действующих стандартов  и санитарных норм и правил, касающихся применения в Украине инфракрасных систем, в основу выбора таких нагревателей и проектирования на их базе отопления производственных помещений должно быть положено обязательное выполнение  следующих основных условий:

1)    температура, скорость движения и относительная влажность воздуха в рабочей зоне отапливаемого помещения должны быть в пределах оптимальных величин, обусловленных ГОСТом 12.1.005-88;

2)    максимальная суммарная интенсивность облучения в рабочей зоне должна быть меньше или равной  допустимой ГОСТом 12.1.005-88 величине.

Эти оба требования ГОСТа 12.1.005-88 должны  обеспечиваться   при   минимальных   энергозатратах   на   отопление  помещения. Такой подход  и был положен в основу создания  алгоритма методики расчета систем отопления на базе трубчатых газовых инфракрасных нагревателей, разработанной в ХНУСА [2]. Использование этого алгоритма при расчетах систем газового инфракрасного отопления различных помещений производственного назначения позволяет в большинстве случаев  выбирать окончательный вариант с минимальным расходом газа.

В ряде случаев некоторую экономию газа при использовании трубчатых инфракрасных нагревателей можно получить за счет дальнейшего совершенствования их конструкций, в частности, формы отражателя. Зиганшиным Б.М. и Фатхуллиной Д.А. [3, 4] доказано, что за счет модернизации (изменения профиля) рефлектора или установки дополнительной пластины, можно получить существенную экономию тепла. В частности, ими опробована на серийном излучателе INFRA-9В модернизация, которая заключалась в изменении размеров рефлектора и установке вдоль продольной оси экрана под трубами дополнительного элемента-ритардера, позволяющего снизить интенсивность конвективной теплоотдачи труб. 

Исследованиями [5] установлено, что наиболее     совершенные     конструкции газовых инфракрасных     трубчатых нагревателей за счет прямого  излучения  и  отражения в конечном  итоге обеспечивают подачу в рабочую зону отапливаемого помещения лучистой   составляющей тепла   в   пределах   75-85%.   Конвективная составляющая  тепла от  таких нагревателей в большей части поступает в верхнюю зону помещения, увеличивая при этом температуру удаляемого воздуха и теплопотери через перекрытие (Рис. 1а). Потери этого конвективного тепла можно  снизить за  счет организованного забора нагретого воздуха  от нагревателя и направления его  в зону пребывания людей в помещении (Рис. 1 б).

Направление теплого воздуха в рабочую зону не только снижает общие теплопотери, но и увеличивает температуру воздуха в области пребывания людей и в конце концов снижает расход газа на отопление. Таким образом, с реализацией этого предложения можно использовать эффективно не только тепло излучения, но и часть  тепла воздуха, нагретого излучающей трубой и отражателем.

 

 Рис. 1. Схема отопления производственного помещения с помощью газовых трубчатых инфракрасных («темных») нагревателей: а) – с использованием серийно- выпускаемых трубчатых нагревателей; б) – с использованием дополнительных теплоулавливающих зонтов; 1 – левая стена; 2 – правая стена; 3 – пол; 4 – серийно-выпускаемые газовые инфракрасные нагреватели; 5 – оборудование, находящееся в помещении; 6 – потолок; 7 – специальные теплоулавливающие зонты;  –количество тепла, передаваемого «темным» газовым излучателем (нагревателем) в рабочую зону лучистым путем; – количество тепла, передаваемого трубчатым нагревателем конвективным путем в отапливаемое помещение.

Конструктивно сбор этого  конвективного тепла  у нагревателя и направления его в рабочую зону отапливаемого помещения может быть реализован различными способами.  В Харьковском национальном университете строительства и архитектуры (ХНУСА) для улавливания и отвода нагретого  воздуха от инфракрасного нагревателя в рабочую зону  разработана специальная система, включающая в себя собирающий зонт и канальный вентилятор с трубопроводами.  В качестве базового варианта при разработке  системы были приняты трубчатые нагреватели типа «ТL.Е SOLARTUBE» (Франция), широко используемые в практике отопления производственных помещений. Эти нагреватели выпускаются трех модификаций: ТL.Е 23, ТL.Е 36 и ТL.Е 45, соответственно, с номинальной мощностью 23, 36 и 43 кВт. Их ширина составляет 380 мм, а высота 165 мм. Что касается длины, то она, соответственно, имеет значения 9,75; 12,55 и 14,275 м.

На рис. 2 приведена схема размещения собирающего зонта над инфракрасным трубчатым газовым нагревателем ТL.Е 36 SOLARTUBE.

Рис. 2. Схема размещения  зонта над трубчатым инфракрасным  нагревателем  ТL.Е 36 SOLARTUBE: 1 – трубчатый нагреватель: 2 – зонт; 3 – патрубок.

 

 

Зонт запроектирован из трех секций (Рис. 3) длиной по 4 метра каждая.

Рис. 3 Секция зонта

 

Секция зонта изготавливается из профилированного листа (для придания ей необходимой жесткости). Соединение секций между собой фланцевое, что облегчает их быстрый монтаж. Ширина зонта по контуру его внутренней поверхности составляет около 1200 мм, т.е. примерно в 3 раза превышает ширину рефлектора серийно выпускаемого нагревателя. Такие размеры зонта позволяют принять максимальную часть  образующегося конвективного тепла.

В верхней части каждой секции (примерно посередине) предусмотрены патрубки диаметром 100 мм для подсоединения  отводящих нагретый воздух трубопроводов.  Три таких трубопровода от трех секций объединены в один вертикальный канал круглого сечения диаметром 150 мм. По ходу канала установлен вентилятор марки К/КV 1450/160 XL Systemair, имеющий следующую техническую характеристику:

 

Напряжение/частота, В/50 Гц                                                        230

Потребляемая мощность, Вт                                                          105

Ток, А                                                                                             0,46

Максимальный расход воздуха, м3/с (м3/час)                                0,21 (770)

Частота вращения, мин-1                                                                2545

Максимальная температура перемещаемого воздуха, °С            70

Вес, кг                                                                                                3,9

На нижнем обрезе вентиляционного канала предусмотрен шибер. Высота его установки 0,8-1,2 м от уровня пола.

Зонт монтируется в верхней части над нагревателем и крепится, например, к нижним поясам железобетонных ферм перекрытия. Профилированный лист зонта крепится самонарезающими болтами или винтами на крайних опорах в каждой волне, а на промежуточных – через волну. Вдоль кромок соединение осуществляется комбинированными заклепками с шагом 500  мм. Расположение воздухоотводящих трубопроводов, вентилятора и шибера в помещении, как правило, уточняется по месту.

С использованием зонта ожидается возврат в рабочую зону  существенной доли конвективного тепла, обычно  теряемого через перекрытия производственных помещений. За счет применения созданной системы теплоулавливания от газовых трубчатых инфракрасных нагревателей можно достигнуть  экономию в расходе газа на инфракрасное отопление до 20%.

Снижение расхода газа на инфракрасное отопление производственных помещений может быть также достигнуто за счет использования трубчатых газовых нагревателей новой конструкции (рис. 4) [6].

Новый трубчатый газовый инфракрасный нагреватель работает следующим образом. В горелке 1 нагревателя сжигается газообразное топливо и высокотемпературные продукты сгорания по мере их продвижения нагревают трубчатый  излучатель 2. Их удаление за пределы помещения производится с помощью специального вентилятора 7. При работе нагревателя образуется лучистое  и конвективное тепло.

 

Рис. 4. Принципиальная схема нового газового инфракрасного трубчатого нагревателя:  а) – разрез; б) – в плане; 1 – источник тепла;  2 – трубчатый излучатель; 3 – сплошной зонт; 4 – слои зонта с перфорацией;  5 – воздухопроводы; 6 – канальные вентиляторы; 7 – вентилятор для отвода продуктов сгорания.

Лучистое тепло отражается от перфорированных слоев  зонта  и идет в зону обогрева,  а конвективное тепло через перфорации в первых двух   слоях зонта 4 попадает под сплошной слой зонта 3. Этот слой зонта имеет внешнюю теплоизоляцию. С помощью одного либо нескольких канальных вентиляторов  6 в воздухопроводах 5 создается разрежение, вследствие чего нагретый воздух подсасывается и подается в рабочую зону помещения. При этом поток теплого воздуха между слоями зонта перемещается вдоль линейного трубчатого излучателя, устанавливаемого обычно под небольшим углом со стороны горелки для создания продольной компоненты скорости движения воздуха.

Увеличением площади отражающих поверхностей можно обеспечивать более равномерный инфракрасный тепловой поток, а регулировкой угла наклона самих отражателей – обогрев требуемых площадей в рабочей зоне отапливаемого производственного помещения.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации доказал, что современные трубчатые инфракрасные нагреватели обеспечивают надежное и эффективное отопление производственных помещений. Дальнейшее совершенствование их конструкций должно быть направлено на повышение тепловой эффективности прежде всего за счет сокращения потерь конвективного тепла, собирающегося над нагревателями под кровлей отапливаемых производственных помещений. Для забора этого тепла, уходящего с воздухом из под рефлекторов нагревателей, и направления его в рабочую зону отапливаемого помещения возможно использование дополнительных зонтов с канальными вентиляторами.

Приведенные выше сведения позволяют сделать следующие выводы:

1.           Замена традиционных систем водяного и воздушного отопления зданий и помещений производственного назначения на инфракрасные с использованием газовых нагревателей открытой и закрытой конструкции позволяет снижать расходы энергоресурсов за отопительный период в 1,5-2 раза.

2.           Дополнительная экономия энергоресурсов на инфракрасное отопление  конкретных производственных помещений может быть  получена за счет выбора оптимальных типов и мощностей инфракрасных  нагревателей, а также  рационального их размещения в общей схеме отопления.

3.           При расчете системы инфракрасного газового отопления помещений производственного назначения с целью сокращения расходов  энергоресурсов, а также соблюдения действующих в Украине  ГОСТов  и санитарных норм  и правил, необходимо всегда выполнять их основные требования: в рабочей зоне отапливаемого помещения температура, скорость движения и относительная влажность воздуха должны быть в пределах оптимальных величин, а максимальная суммарная интенсивность облучения – меньшей или равной допустимой ГОСТом 12.1.005-88 при одновременном обеспечении минимального расхода газа на отопление.

4.           При использовании инфракрасных газовых трубчатых нагревателей для целей отопления производственных помещений дополнительная экономия энергоресурсов может быть получена также за счет организованного забора теплого воздуха, собирающегося в верхней части помещения и направления его в рабочую зону, например, с использованием специальных воздухоулавливающих зонтов, устанавливаемых над нагревателями, и  специальных канальных вентиляторов с трубопроводами.

5.           Дальнейшее совершенствование конструкций инфракрасных нагревателей должно вестись в направлении повышения их тепловой эффективности, что также в конечном итоге позволит снижать расход энергоресурсов на инфракрасное отопление производственных помещений.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.           Болотских Н.Н. Инфракрасное отопление производственных помещений/ Н.Н. Болотских// Научно-теоретический журнал «Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова», Россия,  2011. – вып. 4. – с. 27-32.

2.           Болотских Н.Н. Совершенствование  методики расчета систем отопления газовыми трубчатыми инфракрасными нагревателями.//Науковий вiсник будiвництва. Харкiв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2009. - вип.  54. – с. 76-91.

3.           Патент на изобретение RU 2300710 С1. Система инфракрасного отопления. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Россия. Автор: Зиганшин Б.М. от 29.12.2005 г. – с. 7.

4.           Патент на изобретение RU 2299378 С1. Трубный нагреватель. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Россия. Автор: Зиганшин Б.М., Фатхуллина Д.А. от 09.12.2005 г. – с. 7.

5.           Шумилов Р.Н.Лучистое отопление – мифы и реальность/ Р.Н. Шумилов, Ю.И. Толстова, А.А. Поммер// С.О.К. Сантехника, отопление, кондиционирование. – М., 2006, - № 1. – с. 56-58.

6.           Патент України на винахід № 87028, с.2, F 24 Д 10/00,  F 24 Д 15/00,  F 24 С 15/00.  «Пристрій для променевого опалювання».  Державний департамент інтелектуальної власності МОН України,  10.06.2009, Бюл. № 11/Винахідники: Редько А.О., Болотських М.М.