АВТОРЕФЕРАТ
квалификационной работы магистра

 Исследование систем автономного лучистого отопления на базе инфракрасных излучателей с целью разработки рекомендаций по повышению их энергоэффективности

Актуальность

Одной из существенных составляющих, необходимых для дальнейшего повышения эффективности энергосбережения, является правильный выбор инженерного оборудования зданий и сооружений. На данный момент основной системой является традиционное водяное отопление с централизованной подачей горячей воды, или так называемое центральное отопление (далее - ЦО), которое имеет множество недостатков:

• большой износ теплосетей и систем, что вызывает многочисленные аварии, протечки, внеплановые отключения и т. п.; затраты на ремонтно-восстановительные работы,
  
• высокие теплопотери при доставке тепла потребителю, высокая стоимость прокладки трубопроводов;
  
• практическая невозможность регулировки температуры в помещениях по желанию потребителя.

Выход из этой ситуации просматривается в постепенном переходе к различного вида автономным системам отопления (далее - АСО). Наибольшее внимание в настоящее время уделяется применению инфракрасных (ИК) излучателей. Но, к сожалению, до сих пор существует недостаток технической информации и еще больший недостаток информации об особенностях практического применения систем лучистого отопления на базе ИК обогревателей в климатических условиях Украины, что необходимо для правильного использования и полной реализации технических возможностей современной климатической техники. В состоянии разработки находится и нормативно-методическая база.

Необходимость уменьшения расхода дорогостоящего топлива (природного газа) при отоплении промышленных зданий приводит к тому, что в перспективе вполне реально 50% теплопотребности обеспечивать за счет лучистого отопления, а 50% — за счет конвективного отопления, но в последнем случае - при оснащении систем отопления автоматикой, что обеспечивает соответствующую экономию и сокращение расхода топлива на 20%. Другой источник экономии энергии — применение лучистого отопления, которое будет более экономно удовлетворять потребность в теплоте для рабочих мест при использовании почти на 25% меньшего количества теплоносителя. В отношении прочих видов зданий (общественных и жилых) подобных рекомендаций пока еще не имеется. Однако можно надеяться, что соответствующие организации, с учетом современных энергетических проблем, сумеют должным образом оценить лучистое отопление, поэтому детальное рассмотрение этого вопроса с технической точки зрения является весьма актуальным.

Цели и задачи

Целью работы является разработка рекомендаций по внедрению и эффективному использованию ИК излучателей в системах отопления производственных и жилых помещений.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

• создание полноценной методики инженерного теплотехнического расчёта систем отопления на базе инфракрасных обогревателей;
  
• разработка математической модели функционирования системы лучистого отопления;
  
• выведение характерных зависимостей между физическими величинами, определяющими уровень энергоэффективности применения данных систем;
  
• сравнительный анализ систем автономного лучистого отопления с другими системами, в т.ч. и централизованными.
  

Научная новизна

Предполагаемая научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложение методологического подхода проведения инженерного теплотехнического расчёта систем отопления на базе ИК обогревателей;

2)  впервые на основе указанного подхода предполагается сформулировать задачу по расчету теплопотерь помещения на основании уравнений теплового баланса ограждающих конструкций в стационарных температурных условиях (температура в помещении одинакова во всем его объеме и равномерно распределена на отдельных поверхностях, но при этом учитывается конвективный теплообмен между воздухом и ограничивающими поверхностями, возникающий при свободном движении воздуха);

3) в ходе анализа результатов численного решения систем уравнений теплового баланса предполагается получить данные как о распределении температуры и теплопотерях зданий, так и о теоретической теплоотдаче отопительных экранов на теоретической модели, отопительные экраны которой в одном случае излучают теплоту только в направлении пола, а во втором случае — только в сторону потолка. Также предполагается проанализировать случай, когда отопительные экраны отдают теплоту только путем излучения. Затем необходимо рассмотреть так на­зываемое идеальное лучистое отопление, при котором теплопотери оптимальны, а теплоотдача отопительных экранов наиболее приемлема.

Практическая значимость исследования заключается в решении  задач, связанных с лучистым отоплением, рассмотрение которых обусловлено именно ожидаемыми преимуществами:

а) вопросы оценки теплоощущения человека, определяющие возможности применения лучистого отопления, выяснены не полностью. Эта неясность с энергетической точки зрения имеет негативный характер, так как в применяемых нормах даются «осторожные» величины, путем уточнения которых можно вскрыть дальнейшие энергетические резервы;

б) в области теплотехнического расчета достигнуты такие новые, теоретически обоснованные результаты  (здесь имеются в виду здания павильонного типа с большой потребностью в вентиляции), которые, хотя и требуют некоторой практической проверки, но также таят в себе огромные возможности в отношении экономии энергии.

Обзор исследований и разработок по теме

В ДонНТУ проблемами лучистого отопления занимаются сотрудники кафедры промышленной теплоэнергетики и Центра энергоменеджмента.

В Украине и в мире  исследованию различных теоретических и практических аспектов лучистого отопления посвящены работы многих учёных. Исследованием системы панельно-лучистого отопления занимались Л. Банхиди., А. Шаповалов, С. Кутателадзе, М. Киссин. Инфракрасным газовым излучателям посвящены работы Ю.Денисова, В. Ициксона, К. Баковски и др. Общие организационно-методические и технологические основы энергетики нашли  свое отражение в работах Аметистова Е.В., Кузнецова Е.П. , Когана Ю.М, Чистовича С.А., Стыриковича М.А. и др. Опыт практического использования математических подходов  в значительной степени базировался на разработках Таничева А.В., Закржевского В.И.,  Нуоркиви А.и др.

Анализ имеющихся по теме работы теоретических и экспериментальных исследований систем лучистого отопления с использованием ИК-обогревателей позволяет выделить следующие особенности инфракрасных обогревателей:

Во-первых, при использовании ИК более теплый воздух практически не скапливается под потолком, что характерно, например, для конвективного обогрева (в этом случае теплый воздух в высоких помещениях приходится даже принудительно возвращать вниз, применяя потолочные вентиляторы). Эта особенность работы ИК делает их практически незаменимыми при решении задач экономичного обогрева помещений с высокими потолками, поскольку прогревать большой объем технически сложно и потому дорого. Полезны такие излучатели и для ситуаций, когда отопления требуют лишь определенные (рабочие) зоны или же когда создание конвективных потоков воздуха, а значит и потоков содержащейся в нем пыли нежелательно (для аллергиков это важное требование).

Во-вторых, при использовании локального "догрева" с помощью ИК-зон, в которых находятся люди, можно позволить себе снижение температуры, создаваемой основной системой отопления во всем помещении, на несколько градусов. Таким образом, использование ИК обогревателей приводит к снижению потребления энергии и уменьшению затрат на обогрев по сравнению с традиционными способами его осуществления.

В-третьих, ИК, монтируемые под потолком или даже встраиваемые в него, не накладывают никаких ограничений на размещение мебели и оборудования.

В-четвертых, с помощью ИК удается решать специфические задачи: защита от холода, веющего от стекол высоких стеклянных витражей, куполов, окон большой площади и др. светопрозрачных конструкций, поскольку их теплозащитные свойства, как правило, весьма далеки от современных нормативов.

К достоинствам таких систем панельно-лучистого отопления большинство исследователей относит следующие факторы:

• температура поверхности греющих панелей значительно ниже температуры теплоносителя, при этом исключается пригорание пыли, ослаблен ее разнос;
  
• уменьшается расход металла по сравнению с расходом на чугунные радиаторы, на гладкотрубные приборы; выравнивается температура воздуха по высоте обогреваемых помещений;
  
• сокращение затрат труда на месте строительства зданий при заводском изготовлении конструкций с замоноличенными греющими элементами. Воз­можно сокращение теплозатрат на отопление помещений при относительном понижении температуры воздуха;
  
• при отопительных панелях, скрытых в строительных конструкциях, обеспечиваются повышенные санитарно-гигиенические требования, не занимается полезная площадь помещений.

Недостатками систем панельно-лучистого отопления являются:

• трудность ремонта замоноличенных греющих элементов;
  
• сложность регулирования теплоотдачи отопительных панелей;
  
• увеличение бесполезных теплопотерь при размещении панелей в наружных ограждениях, повышение капитальных вложений (по сравнению с конвективным отоплением) при низкой температуре теплоносителя.
  
  

Собственные исследования: текущие и планируемые результаты

Теоретическую и методологическую основу исследования составляют работы отечественных и зарубежных ученых в области энергообеспечения жилых и промышленных зданий и эффективного использования энергетических ресурсов, включая вопросы энергосбережения и применения альтернативных источников энергии

Информационную базу исследования составляют статистические данные об использовании различных видов энергетических ресурсов в Украине и зарубежом, действующие нормативные документы в сфере энергетики.

При обсуждении решения об использовании ИК-излучателей, а также в расчётах необходимо учитывать, что:

1. установки лучистого обогрева тем выгоднее, чем выше обогреваемое помещение (для помещений с Н>6м экономические преимущества лучистого обогрева бесспорны; для помещений с Н=10м, обогреваемых ИК излучателями, расход теплоты составляет около 50 % от расхода теплоты в варианте конвективного отопления).
   

   Таблица 1 – Удельные затраты на обогрев здания объёмом 100м³ и высотой 8 м
   

2. температура воздуха в помещении (рисунок 1) может быть на несколько градусов ниже, чем при конвективном отоплении (при конвективном обогреве ощущение теплового комфорта создается при температуре воздуха 20¸22°С; при лучистом обогреве вполне достаточна температура 15¸18°С), а это влечёт за собой экономию энергии в размере 30¸40%;

   
   Рисунок 1 – Разница температурных профилей лучистого и конвективного отопления

3. на экономичность установки влияет характер воздухообмена в помещении. так, в обширных помещениях с большим количеством людей (выставки, заводские и фабричные цехи и т. п.) необходимо с помощью вентиляции удалять пыль и вредные газы. При конвективном обогреве теплым воздухом при этом неизбежны значительные потери теплоты, тогда как при лучистом обогреве действие вентиляции почти не влияет на тепловой баланс.
4. установки лучистого обогрева создают тепловой эффект в кратчайшее время; поэтому такие установки особенно оправдывают себя экономически в помещениях с кратковременным пребыванием людей.
5. в полной мере преимущества излучателей проявляются, когда коэффициент теплопроводности конструкции зданий:
   

   К ≥ 1,16 Вт/(м²·°C)

   Данное утверждение не означает, что при К < 1,16 Вт/( м2·°C) лучистое отопление неэффективно, но подчёркивает, что при этих условиях в качестве альтернативного отопления возможно рассматривать децентрализованное тепловоздушное или комбинированное лучисто-конвективное отопление (например, супертемные излучатели);  особенно экономичным бывает лучистый способ отопления при ограждающих поверхностях здания с коэффициентом теплопотерь:

   от К = 1,16 Вт/( м²·°C) до К = 2,3 Вт/( м²·°C);

6. Определение потерь тепловой энергии на инфильтрацию наружного воздуха как при конвективном, так и при инфракрасном отоплении необходимо проводить с учетом кратности воздухообмена в отапливаемом помещении:

   , Вт ,

   где FП – площадь помещения, м²; h-высота помещения, м; tВ  - внутренняя температура в помещении, ˚С; tН - наружная расчётная температура, ˚С;  К – кратность воздухообмена в отапливаемом помещении.

В пылу конкурентной борьбы часто применяются лишенные всякого физического обоснования изречения о том, что при лучистом отоплении по сравнению с тепловоздушным не возникает разницы в температуре воздуха в помещениях и, как следствие, разницы в теплопотерях обьекта.

Для того, чтобы ввести в заблуждение заказчика, часто сознательно занижается кратность воздухообмена инфильтрацией ,которая позволяет скрывать повышенные теплопотери, связанные с процессом естественного воздухообмена.

Даже в проектах по использованию однотипных устройств появляются данные о кратности воздухообмена инфильтрацией, далекие от реальных значений (например кратности, pавные 0,1 или 0,2). Расплатой за это бывают отклонение от заданных температур и, что немаловажно, завышенное потребление газа.

В результате собственных исследований автора установлено, что установки лучистого обогрева тем выгоднее, чем выше обогреваемое помещение (для помещений с высотой потолка Н>6м экономические преимущества лучистого обогрева бесспорны.

В результате научно-исследовательской работы были собраны и изучены материалы по вопросам, связанным с темой магистерской работы: рассмотрены вопросы теплового излучения, механизмы воздействия инфракрасных лучей на организм человека в зависимости от длины выделяемых излучателем волн, интенсивности излучения. Также идет разработка и изготовление экспериментальной установки для получения собственных результатов в данной области.

Дальнейшие исследования по применению систем автономного отопления на базе ИК-обогревателей позволят получить рекомендации по оптимальному выбору инженерного оборудования зданий и сооружений как одному из основных составляющих, необходимые для дальнейшего повышения эффективности энерго- и ресурсосбережения.

Выводы

Системы автономного лучистого отопления на базе инфракрасных излучателей исследуется относительно недавно, о чем свидетельствует малое количество публикаций с результатами современных теоретических и экспериментальных исследований. Повышение интереса к этим системам буквально в последние годы связано с тем, что в современных проектах жилых и общественных зданий все чаще стали применяться наиболее экономичные системы отопления и уже возникла острая потребность в современном высокотехнологичном оборудовании для систем отопления.

Главной задачей большинства работ в этой области является создание полноценной методики инженерного теплотехнического расчёта систем отопления на базе ИК обогревателей, а также разработка рекомендаций по их внедрению и эффективному использованию в системах отопления производственных и жилых помещений.

Таким образом, современные системы автономного лучистого отопления требуют более детального изучения. Дальнейшего исследования требуют также еще некоторые аспекты их применения, например, данные о кратности воздухообмена инфильтрацией при лучистом отоплении по сравнению с тепловоздушным, анализ которых позволит определить реальные данные о теплопотерях, связанных с процессом естественного воздухообмена.

Список литературы

1. Раб`яш Р. Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог // Ринок інсталяційний. – 1997.– № 6.– С. 5-8.
2. Сканави. А.И. Отопление.– М.: Стройиздат, 1988.– 416 с.
3. Рекомендации по проектированию, устройству и эксплуатации систем панельно-лучистого отопления и обогрева полов 1-х этажей с помощью греющего электрокабеля.– Красноярск.: Промстройпроект, 1971.– 56 с.
   
4. Olesen B.W. Теория и практика напольного лучистого отопления // АВОК.– 2002.– № 1.– С. 44-50.
   
5. Мачкаши А., Банхиди Л. Лучистое отопление/ Пер. с венг. В. М. Беляева; Под ред. В. Н. Бого­словского и Л. М. Махова. — М.: Строииздат, 1985.— 464 с, ил.— Перевод изд.: Sugarzo futesek/ A. Macskasy, L. Banhidi.
   
6. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тегпло- и массообмена. М., 1987.
   
7. Киссин М.И. Расчет потерь тепла при лучистом отоплении. — В сб.: Вопросы отопления и вентиляции / ЦНИИПС, М., 1992, вып. 2.
   
8. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.- М., 1962.
   
9. Шаповалов И.С. Проектирование панельно-лучистого отопления.- М., 1986.
   
10. http://energetika.com.ru/
    
11. Шорин С.И. Теплопередача излучением  при лучистом отоплении. В сб.: Современные вопросы отопления и вентиляции. - М., 1999.
    
12. Пятышкин Г.Г., Шкляр В.С. Уменьшение неравномерности поля температур в листе при нагреве его излучением // Технология и качество стекла: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф., 12-21 окт. 1993 г.- Константиновка, 1993.- С.39.

Замечание

         При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение -  декабрь 2010 года. Полный текст работы и материалы могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Вверх

---

© 2010 ДонНТУ. Сагирова Дарья. All Rights Reserved©