Главная > Статьи > Прямое газовое отопление больших пространств

Прямое газовое отопление больших пространств Прямое газовое отопление больших пространств

Предисловие

Цель этого издания - дать четкие технические принципы проектирования газового отопления больших пространств и выбора устройств, которые помогут специалистам ориентироваться в этой проблеме.
Кроме технического подхода к проблеме использования и определения размеров рассмотрены наиболее часто встречающиеся ошибки проектирования, а также перспективы развития. Пользование пособием упрощено тем, что разделы можно читать независимо.

Отопление излучением

Физические принципы

Цель отопления - обеспечение приятного ощущения тепла, которое по определению Бедфор-да есть: "субъективное ощущение человека, которое основано на комплексном влиянии".
Субъективное ощущение состоит из нескольких, частично селективных и частично аддитивных эффектов. Такими являются, например, температура воздуха, скорость, одежда и пр. Среди доминирующих эффектов находятся излучение окружающих плоскостей, что дает основу радиационного отопления. Значение радиационных условий с точки зрения отопления очевидно, если учитывать основные способы теплоотдачи тела человека, так как отопление должно компенсировать эти теплопотери, т.е. поддерживать в равновесии ощущение комфорта.
Основные пути теплопотерь человека: конвекция, кондукция, излучение и испарение. Доля кондуктивных теплопотерь небольшая, ее можно рассматривать одновременно с конвективными теплопотерями. Отношение трех способов теплоотдачи в отапливаемом пространстве при нормальных обстоятельствах обычно такое: (Рабнер)

  • конвекция 30 - 35%
  • излучение 40 - 45%
  • испарение 20 - 25%

Видно, что наиболее характерный фактор теплопотерь - излучение. Теплопотери излучением возникают, когда окружение - в первую очередь контурные размеры здания - более холодные чем тело человека. Если увеличить среднюю температуру окружения (напр., за счет излучателей высо-кой температуры), то теплопотери за счет излучения падают и можно добиться ощущения тепла, не увеличивая температуры воздуха. Таким образом эффект отопления достигается так, что температу-ра воздуха, а значит и теплопотери в пространстве не меняются, в то время как по ощущению пребывающего в этом пространстве человека температура в пространстве пребывания увеличилась.
Если теплоотдача отопительных устройств содержит компоненту излучения, то находящемуся в пространстве человеку кажется, что температура окружения выше, чем если бы это же полезное тепло передавалось конвекционным способом. Температура, которая находящимся в отапливаемом пространстве кажется выше при отоплении с помощью излучения, называется температурой ощущения или исходной температурой или иногда результирующей температурой, а значение температуры, измеренное традиционным образом с помощью термометра называется температурой воздуха. Разность двух значений температур определяет увеличение ощущения тепла за счет излучающего отопления. Этот эффект определяет принцип использования изучающих тел для отопления. Основные закономерности излучающего теплообмена следующие:

Абсолютно черное тело

Абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на него тепло, в то же время его эмиссия (излучение) наибольшее ξ=1.
В действительности абсолютно черных тел нет, поэтому значение ? меняется от 0 до 1 в зави-симости от вещества и температуры.

Закон Стефана-Больцмана:

Еs = Сs (T/100)4, где
Es = излучение 1м2 абсолютно черного тела (Вт/м2)
Cs = постоянная излучения абсолютно черного тела (5,78 Вт/м2 К4)
Т = температура излучающего тела в °К (°С+273)

Например, излучение 1 м2 абсолютно черного тела при 100°С:
Es = 5,78 (373/100)4 =1118 Вт/м2, в то время как излучение при 900°С равно 109425 Вт/м2.
Реальное значение получится, если результат умножить на ξ.
Например, металлическая поверхность с фактором эмиссии 0,6 при 900°С
109425 х 0,6 = 65655 Вт/м2.

Теплообмен излучением:

Основное соотношение теплообмена с помощью излучения для практического применения:
Es = ξCs (T/100)4

Поскольку излучающий теплообмен взаимообусловлен, то и более холодное тело будет излучать согласно приведенной выше формуле. Теплообмен равен разности между двумя значениями. Для площадей 1 м2, находящихся бесконечно близко друг к другу (облучают только друг друга) величина теплообмена:
Q = ξ1 Сs (T1/100)4 - ξ2 Cs (T2/100)4
Для практических целей (для оценки) теплоотдача излучающих тел без вывода:
Q = F1 ξ1 Сs [(T1/100)4 - (Т2 /100)4 ], где 
Q = переданная энергия излучающего тела
F1 = поверхность излучающего тела в м2
ξ1 = фактор эмиссии излучающего тела
Сs = 5,78 Bт/м2K4
T1 = температура поверхности излучающего тела в К
Т2 = температура окружения (помещения) в К.

Условие применимости соотношения: температура излучающего тела должна быть не менее 150°С (423К), а температур окружения - нормальная температура помещения. 
Например, для оксидированной трубы с алюминиевым покрытием (ξ = 0,95) длиной 1м ø 100 мм (F=0,314 м2) температурой 400°С (673 К) при температуре окружения 27°С (300К): 
Q = 0,314 х 0,95 х 5,78[(673/100)4 - (300/100)4] = 3397 Вт. 
Та же труба при 800°С излучает 22715 Вт.

Закон Вина:

Длина волны максимальной интенсивности: λ=2896/Т 
Пример: длина волны максимальной интенсивности при 900°С (1173К) λ=2896/1173=2,47 мкм

Принципы выбора размеров

Температура ощущения

В случае отопления излучением, находящиеся в отапливаемом пространстве люди оценивают температуру в этом пространстве (температуру ощущения) всегда выше температуры воздуха. Для определения температуры ощущения наряду с другими методами применяют следующее соотношение: 
tr = tl+0,072 х i, где
tr температура (результирующая) ощущения в °С,
tl температура воздуха в °С,

I интенсивность излучения в Вт/м2.

Пример:
В заданной точке пространства температура воздуха (tl) 12°С, интенсивность излучения 80 Вт/м2. Температура ощущения tl=12+0,072х80=17,7°С. В этом соотношении интенсивность излучения соответствует фактической интенсивности излучения в данной точке пространства.

КПД излучения

Под отношением излучения понимают отношение переданного излучением тепла к внесенному в излучатель тепла. КПД - процентное выражение этого отношения. Если в излучающий прибор вносится, например, энергия эквивалентная 22 кВт, а прибор отдает в виде тепла излучения 14,3 кВт, то отношение излучения будет 14,3/22 = 0,65, а КПД излучения 65%.

КПД излучения можно определить из отношения тепла излучения и полезного тепла (выходного). Разность между внесенным и полезным теплом - потери на дымовые газы, которые определяются теплотехническим (тепловым) КПД.

Абсорбционные потери

Тепловое излучение нагревает не воздух, а, проникая сквозь него, непосредственно предметы и человека. Трехатомные газы (СО2, Н2О), а также пыль поглощают часть излучения, в первую очередь в зависимости от расстояния до излучателя. Это определяет потери на абсорбцию, величина которой практически 3-6%. Если, например, переданное излучением тепло 22 кВт, а поглощение 4% (4% используется как конвективное тепло), то полезное тепло излучения будет меньше на 4%, т.е. будет 22 х 0,96=21,12 кВт.

Потери на рассеяние

Излучение от излучающего тела подобно свету распространяется прямолинейно, т.е. точку, из которой наблюдатель видит излучающее тело, излучающее тело также "видит" т.е. облучает наблюдателя. Таким образом, если от ограничивающих плоскостей конструкции здания видно излучающее тело, очевидно, что определенная часть излучения попадет на эти плоскости.

Менее очевидна доля вторичного излучения, попадающего на эти ограничивающие поверхности. Часть излучения отражается от тел, а отраженное излучение снова попадет на некоторое тело, откуда его часть снова отразится. Процесс напоминает затухающую систему. Наиболее полезная часть излучаемого тепла - тепло, поглощенное полом (которое есть причиной характерного "теплого" пола), человеком и окружающими телами. Потери на рассеяние, в первую очередь - доля, попадающего на ограничивающие конструкции здания излучения. Величина ее зависит, в основном, от расположения излучателей, геометрии пространства и эмиссионная, т.е. отражательная способность окружения.

Излучение, попадающее на ограничивающие поверхности, считается потерями с точки зрения излучения, но не с точки зрения конвекции. Это потери на рассеяние. Потери тем больше, чем меньше эмиссионный фактор окружения. (Если, например, пол масляный или бетонный, а предметы темного цвета, то фактор эмиссии относительно высокий, а потери на отражение меньше).

Если относительная высота пространства большая (высота больше 1/3 ширины в одном из направлений), то это также увеличивает потери на рассеяние.
На практике потери на рассеяние составляют 15 - 20%. В крайних случаях возможно откло-нение на несколько процентов. В больших низких павильонах потери на рассеяние могут опуститься до 10%, и, наоборот - для высоких и узких павильонов - достигнуть 25%.

В любом случае, исходя из этого, потери можно определить точно.
Например, в павильоне с бетонным полом высотой 8 м и шириной 36 м потери по оценкам составляют 16%. Если излученное тепло 50 кВт, то полезное излучение будет составлять
50 х (1 - 0,16) = 42 кВт.

Тепловое излучение в рабочем пространстве

Тепловое излучение уменьшается в результате трех факторов: КПД излучения, потери на абсорбцию и потери на рассеяние.
Если вносимое тепло равно, напр., 200 кВт, а КПД излучения 65%, потери на абсорбцию рав-ны 4%, а потери на рассеяние 18%, то полезное тепло в рабочем пространстве будет:
200 кВт х 0,65 х (1-0,04) х (1-0,18) = 102,3 кВт.

Если данное пространство, например имеет 900 м2, то средняя интенсивность излучения 102300 Вт/900м2=113 Вт/м2, если температура воздуха 11°С, то температура ощущения
tr = tl + 0,072 х I = 11+0,072 х 113 = 19,1°С, т.е. увеличение температуры ощущения 8,1°С.
Это имеет место, естественно, если распределение излучения в рабочем пространстве равномерное.

Добавки от окружения

При отоплении больших пространств нужно отдельно учесть трансмиссионные (сквозь ограничивающие конструкции) и фильтрационные потери, за счет циркуляции воздуха (напр., отсасывание машинами, часто открываемые ворота или окна, отверстия в конструкции, и пр.).

Неблагоприятные теплотехнические обстоятельства, как например, необходимость быстрого разогрева, эффект тяги, большая внутренняя высота, низкое значение К (фактор передачи тепла) требуют дополнений к расчетам трансмиссионных потерь конструкции здания, что означает введение дополнительных тепловых мощностей. Для традиционного конвекционного отопления значение добавок достигает значения 1,1 -1,6. То же самое для отопления излучением с учетом обстоятельств равно половине этого значения. Таким образом, величина добавок в зависимости от местных условий 1,05 -1,3.

Например, для павильона высотой 10 м с крышей из кополитового стекла при работе в 3 смены фактор добавок примерно 1,2, что означает, что трансмиссионные тепловые потери берутся в 1,2 раза больше рассчитанных на основе размеров.
Тогда удельная потребность тепла ( в расчете на 1°С) будет 15 кВт/°С, вносимая тепловая мощность на трансмиссионные потери 15х1,2=18 кВт/°С.

Добавки от размещения излучающих тел

Мощность устанавливаемых приборов излучения выбирается в соответствии с расчетами. Для высоты до 5 м это не требует учета добавок. Для высоты более 5 м вносимую мощность нужно увеличивать на 3-5% на каждый метр. Причина этого состоит в увеличении потерь на рассеяние, а также в том, что доля конвекции тел излучения используется все в меньшей степени для непосредственного отопления рабочего пространства.

При определении добавок в первую очередь нужно учитывать расположение прибора и КПД излучения. Если КПД излучения напр., 40-50%, а число аппаратов вблизи ограничивающей стенки большое, то добавка может достигать 5%/м (выше 5 м). 
В этом случае для излучателей, расположенных на высоте 8 м если рассчитанная мощность 200 кВт, то вносимая мощность должна быть 200 х (1 + (8-5 ) х 0,005) = 230 кВт.

Теплотехнические расчеты

Пример расчетов

Основные данные: ширина павильона 18м, длина 50 м, высота 8 м (площадь основания Т = 18 х 50 = 900м2, объем пространства 900 х 8 = 7200 м3). Внешняя температура: -13°С, температу-ра ощущения: 18°С, трансмиссионные потребности тепла в пересчете на 1°С: 5 кВт/°С (без учета добавок).

Тепловые потери на фильтрацию 6,5 кВт/°С. Ограничивающая конструкция павильона выполнена из кополитового стекла, пол бетонный. Расположить излучатели можно на высоте 7 м. Характеристика устанавливаемого аппарата - КПД излучения 65%. Из возможных проектов следующий способ кажется простым и ясным и достаточно точным.

Определяем долю используемого в рабочем пространстве тепла относительно полного полезного тепла, которое определяется как:
КПД излучения 65%
Абсорбционные потери (павильон средней высоты, относительно чистый воздух) 4%
Потери на рассеяние 18%
Вклад излучения: 1 х 0,65 х (1-0,04) х (1-0,18) = 0,51 (т.е.51%).
Трансмиссионные потери здания на 1°С с добавками окружения 5кВт/°С х 1,2 = 6 кВт/°С.
Полные тепловые потери здания состоят из суммы трансмиссионных и фильтрационных по-терь 6кВт/°С + 6,5кВт/°С = 12,5 кВт/°С.

Поскольку еще неизвестна температуру воздуха (tl) при желаемой температуре ощущения, то для определения потребности тепла используем итерационный метод так, что в нулевом приближе-нии оцениваем это значение, например, как tl=12°С (правильность выбора впоследствии нужно проверить).
С точки зрения теплопотерь ориентировочное значение Δt =12°С -(-13°С) = 25°С 
Теплопотери здания или потребность в тепле: 12,5 кВт/°С х 25°С =312,5 кВт.
Удельная потребность тепла 312,5 кВт/900 м2 = 347 Вт/м2, из которого отношение тепла из-лучения (см. выше) 51%, т.е. 0,51 х 347 =177 Вт/м2. температура ощущения tr = tl + 0,072 х i = 12 + 0,072 х 177 = 24,7°С, которое значительно выше желаемого значения 18°С, поэтому темпера-туру воздуха выберем меньшей.

Новая оценка температуры воздуха 8°С, тогда значение Δt =21°C, а теплопотери:
21°С х 12,5 кВт/°С = 262,5 кВт. 
Удельная тепловая нагрузка 291 Вт/м2, а для доли излучения 51% - 148 Вт/м2. Температуры ощущения: 8 + 0,072 х 148 =18,6°С - достаточно.
Поскольку излучающие тела расположены выше 5 м (7 м), применяем добавку за счет высоты (4%). Полная потребность тепла 262,5 х 1,08 = 283,5 кВт.

Ограничения на размеры

Приведенный пример относится к такому случаю, где распределение излучения в рабочем пространстве с учетом расположения излучателей относительно равномерное. Если мы желаем отапливать только часть пространства, то с увеличение ощущения тепла (теплый остров) нужно применять другой способ (см. ниже).

Увеличение ощущения тепла, как следует из расчетов, прямо пропорционально интенсивно-сти излучения в рабочем пространстве. Пропорция сохраняется для увеличения ощущения тепла до 12-15°С. (По величине это соответствует интенсивности в рабочем пространстве 190 Вт/м2 и внесен-ной мощности 380 Вт/м2.
На практике процедура расчета потребности тепла такая же, но, например, для отопления наполовину свободного пространства (трибуны, террасы) нужно применять другие способы расчета.
Температура тел излучения высокая, поэтому для степеней пожароопасности А и Б применять его нельзя. Для пожароопасности степени В нужно предварительное согласование с пожарной охраной.

Общепринятым техническим решением и мотивацией является применение его там, где из технологических соображений курение не запрещено и (или) электромонтажные части не взрыво-опасны. Эти соображения частично могут отличаться от местных требований. Как преодолеть эти обстоятельства:
Если помещение пожароопасное степени Б, обогревать излучателями снаружи, или, напри-мер, для авторемонтной мастерской уровень ниже 2м считается классом Б, а выше 2м - классом В.
Если излучающее тело расположено слишком близко, а излучение сильное, то ощущение те-пла неприятное. Распространенное мнение: ограничение интенсивности, попадающее на макушку головы. 
Максимальное излучение на голову в специальной литературе оценивается самым различ-ным способом от 170 Вт/м2 до 500Вт/м2 . (Предполагается, что при этом не всегда была учтена зави-симость от температуры воздуха).
На практике, если приборы расположены правильно (см. ниже), или выполняются требования завода-изготовителя, то значения, которые приводят к неприятным ощущениям, будут ниже.

Размещение инфракрасных (светлых) излучателей

Расстояние между излучателями

Наиболее распространенный вариант - расположение излучателей друг против друга под уг-лом (на стенке или подвешенными в пространстве). Для равномерного распределения излучения расстояние между излучателями на одной стенке (или в плоскости) не должно быть больше 1,5 высоты подвески. Естественно, расстояние может быть меньше этого, но если больше, то нужно индивидуальное решение. При удвоенном расстоянии нужно учитывать дополнительные обстоятельства (напр., есть ли рабочее место между двумя стенками излучения), а возможную тепловую тень нужно компенсировать.

Наклон излучателей (угол между горизонталью)

Наклон аппаратов правильный, если для двух противоположных рядов излучателей перпендикуляры опущенный на керамические плитки, пересекают линию пола на одной трети расстояния от стены. Две точки пересечения могут быть расположены ближе друг к другу, но в этом случае на ограничивающую стенку попадает больше излучения. Перпендикуляры могут пересекаться если аппараты расположены относительно низко и поэтому угол наклона нужно увеличить.

Например: Ширина помещения 18м, высота расположения аппаратов 6м. В этом случае на-клону 45° соответствует то положение, когда перпендикуляр к керамическим плиткам излучателей пересекает пол на расстоянии 6м, т.е. в одной трети ширины.

Минимальная высота подвески

Высота от линии пола (м)

Номинальная мощность Угол наклона к горизонтали
15° 30° 45° 60°
7 4,5 4,2 3,8 3,2
11 5,2 4,8 4,3 3,5
18 6,1 5,6 4,8 3,9
22 6,6 6,1 5,2 4,2
36 8,6 7,3 6,4 5

Данные таблицы относятся к температуре воздуха +10°С и скорости воздуха не более 0,3 м/с. Другие значения номинальной мощности рассчитываются интерполяцией. Для угла наклона менее 30° нужно проверить, не нагревают ли дымовые газы слишком сильно газовые вентили и электронику.

Необходимая коррекция для других температур
Температура воздуха, С° 0 5 15
Фактор коррекции 0,9 0,95 1,1

 

Необходимая коррекция для других скоростей воздуха
Скорость воздуха м/с 0,5 0,7 0,7
Фактор коррекции 0,91 0,85 0,81

Наименьшая высота подвески получается умножением на фактор коррекции, взятый из таб-лицы. По усмотрению проектировщика можно использовать и другие коррекции (напр., непосредственная холодная, плохо изолированная стенка или частое открывание дверей и пр.) Эта коррекция, однако, не должна быть меньше 0,8.

Прочие соображения

Места с большой циркуляцией воздуха (например, ворота) можно усилить в теплотехническом плане дополнительными излучателями. Если одна из стенок граничит с холодным, а другая с "теплым" зданием, то на холодную стенку нужно направить больше интенсивности излучения (напр., больший аппарат или меньший угол наклона). "Совершенное" решение можно получить комбинацией нескольких типов излучателей.

Особая точка зрения состоит в том, что дымовые газы остаются в обогреваемом пространстве и удаляются посредством общей вентиляции или специальным отсасыванием от прибора. В качестве загрязняющих веществ появляются газы СО или NOx. Предписания на этот счет в стандартах различных стран заметно отличаются друг от друга и могут отличаться даже для различных поставщиков. Технически вопрос можно решить, обратившись на завод изготовитель для значений эмиссии СО или NOx.

Наилучшим будет, если в дымовых газах значение СО или NOx уже меньше допустимого в рабочем пространстве. (Постоянное допустимое значение в различных странах, для обеих компонент около 30 ppm). В настоящее время на рынке имеются такие инфракрасные излучатели, для которых значение СО или NOx ниже 30 ppm уже в самих газах.

Расположение темных излучателей

Расстояние между излучателями

Горизонтальное расположение

При горизонтальной подвеске хорошо отапливаемую зону можно получить так, что излучатель мысленно положим на пол и от него по обеим сторонам (т.е. параллельно трубе) отмерим 80% высоты подвески, а затем в начале и в конце в направлении трубы отложим половину подвески и нарисуем полученный прямоугольник. (Если выбрать 100% высоты подвески, то и в этом случае получим удовлетворительный результат. Для оценки размеров, превышающих этот выбор, нужен индивидуальный подход.)

Пример: U-образный излучатель длиной 6м подвешен горизонтально на высоте 5м. Величина зоны: прямоугольник 8 х 11 м (высота 100% подвески 10 х 11м). Правило годится и для прямых излучателей, если говорить о хорошо отапливаемой зоне, но в случае отвода дымовых газов интенсивность излучения значительно снижается.

Причина разницы - в принципе действия темных излучателей, суть которого состоит в том, что газ в трубе сгорает так (темный излучатель), что вдоль трубы направление потока постепенно охлаждается, а тепло преимущественно отдается в виде излучения (например, в начале трубы температура может достигать 550°С, а в конце 150°С). Для U- образных излучателей теплоотдача на половине длины трубы разворачивается назад в направлении горелки, а отвод дымовых газов происходит у горелки. В этом примере имеем трубу с температурой 550°С и 160°С со стороны горелки, а в точке поворота - "средняя температура". Результат: теплоотдача практически приближается к равномерной вдоль U-образного изгиба, но со стороны горелки всегда больше.
Для отдельных вариантов исполнения интенсивность излучения вдоль трубы падает, но ли-ния следа больше и не увеличивает и без того большую теплоотдачу.

Подвеска с наклоном

Обычно наклон в 30° уже обеспечивает достаточно места для теплотехнического пространства маневрирования. Приборы, однако, можно устанавливать как под меньшим, так и под большим углом. Хорошим выбором может быть наклон для приборов, которые монтируются на ограничивающую стенку (здесь это желательно), а также, если излучатели находятся далеко друг от друга, так как при этом облучение площадки межу ними более равномерное.

Наклон можно применять в некоторых рабочих местах для "преимущественного" отопления, если труба излучения проходит не над рабочим местом. Напр., наклоном в 30° между двумя излучателями хорошо отапливаемая площадка: сумма двух высот подвески, умноженная на 1,5. Однако площадка обогрева проникает за пределы направления, противоположного наклону примерно на половине высоты подвески. Установив излучатели на большем расстоянии друг от друга, распределение становится неоднородным, однако это может оказаться хорошим решением (напр., для выравнивания чувства холода вдоль охлаждающейся стенки и др.).

При установке с наклоном следует учитывать, что речь идет только об отклонении экрана, так как трубка излучения при этом не меняется. Эффективность направления тепла не пропорцио-нальна величине отклонения. Избыток тепла получается отражением от экрана. (Для керамического, т.е. инфракрасного излучения метод эффективный и хорошо поддается расчетам благодаря тому, что тело излучателя плоское.)
a Недостаток наклона состоит в том, что воздух, нагреваемый от горячей трубы, ускоряется больше - увеличивая конвективную и снижая излучающую долю излучения. С этим можно бо-роться, применяя вариант "турбо" (см. ниже).