Издательский Центр Аква-Терм

Достижение теплового комфорта при ИК-обогреве

Опубликовано: 10 мая 2016 г.

122

Применяемое для инфракрасного (ИК-лучевого) обогрева  оборудование различается по мощности, типу теплогенерации и, соответственно,  конструктивному исполнению, –  в зависимости от предъявляемых к нему требований. Такие приборы и реализуемые при их посредстве системы отопления могут служить как для создания зон локального комфорта на индивидуальном рабочем месте или части комнаты, так и для обогрева больших площадей, например, веранд или бассейнов.

За счет теплового излучения (ИК-спектр) часть энергии передает любой отопительный прибор. Например, отопительному прибору для того, чтобы перейти из класса конвекторов в класс радиаторов достаточно передавать излучением более 25 % тепловой энергии.

К ИК-обогревателям принято относить те, в теплогенерации которых лучистая составляющая много больше конвективной и кондуктивной (на практике 90–95 %). Первым рукотворным ИК-обогревателем, кстати не утратившим своего значения и притягательной силы и поныне, был костер. В помещении он постепенно эволюционировал в очаг и камин. Причем первый дал еще и побочную «эволюционную» ветвь – ИК-грелки, получившие, например, широкое распространение в средневековой Японии.  Но технологичность и, главное, КПД такого обогрева по современным критериям уже недостаточны. Вынеся за скобки различные типы каминов, прочно занимающих нишу от ИК-приборов, в том числе и биотопливных, до своего рода дизайн-котлов,  можно отметить, что распространение получили другие энергоносители и соответствующие им технологии.

Системы отопления с ИК-приборами варьируются от поливалентных, в которых ИК-излучатель служит лишь дополнительным источником тепла, до таких, в которых он является не только основным, но и единственным. Например, для открытых площадок (веранд, открытых беседок, двориков  и т.п.) ИК-обогреватели часто служат безальтернативным источником комфортного теплоснабжения. Из-за отсутствия ограждающих конструкций эффективность конвективных технологий  низка, а поднимающийся теплый воздух быстро замещается снизу холодным, приводя к дискомфорту, сквозняку у пола.

Не светит, но греет

В зависимости от температуры излучающей поверхности, ИК-обогреватели принято подразделять на «светлые» и «темные». В первых теплоизлучающий элемент имеет температуру более 700–800 °С (длины волн 1,55–2,55 видимой части спектра) и появляется его свечение (рис. 1), в «темных» (длины волн 3,6–14 мкм) температура излучающего элемента существенно ниже, до 200 °С (рис. 2). Лучистый КПД «светлых» достигает 70 %, «темных» – ниже и находится в пределах 55–65 %. При этом конвективная составляющая у «темных» достигает 45 %, возрастая с увеличением длины волны. Причем для человека наибольшую эффективность имеет ИК-излучение с длиной волн примерно 10 мкм. В этой  части спектра интенсивно происходят и теплопотери организма за счет ИК-излучения.

Рис. 1. «Светлый» излучатель Neoclima NC-WH-1

излучатель Neoclima NC-WH-1

Рис. 2. «Темный» излучатель

«Темный» излучатель

Но в ИК тепловом приборе обязательно имеется разогретое до высокой температуры физическое тело – генератор ИК-излучения. При этом чем выше температура его поверхности, тем меньше длина волны излучения, больше его частота, соответственно, больше и доля волн видимой части спектра, который визуально сдвигается в более яркую, светлую сторону. Для разогрева излучателя в качестве источников энергии применяются жидкие или газообразные (газ) углеводороды и электричество. И, в частности,  тип энергоносителя накладывает существенные ограничения на использование того или иного типа ИК-обогревателя в бытовом секторе.

Еще одно  ограничение – сам принцип теплопередачи: излучение, во-первых, нагревает поверхности  – стены, мебель, пол и, что существеннее, человека; во-вторых,  интенсивнее нагревает расположенные ближе предметы. Поэтому, например, мощность и тип потолочного ИК-обогревателя лимитируются не только геометрией помещения, но и высотой потолка. И оказывается недопустимым применять в бытовом секторе промышленные ИК-нагреватели, изначально рассчитанные на установку в производственных помещениях.

От лампочки

Среди несомненных достоинств электрических ИК-обогревателей – полное отсутствие каких-либо выбросов, удобство монтажа и эксплуатации. Но и недостатки существенны– относительно высокая стоимость электроэнергии и зависимость от внешних ее источников.

Принцип их действий в сущности такой же, как у классической лампочки накаливания: проходящий через резистивный элемент ток нагревает его до высокой температуры. Поэтому электрические ИК-нагреватели различаются не столько по принципу теплогенерации, сколько по типу рабочего тела.

Рис. 3. Потолочный обогреватель с открытым ТЭНом Energotech EIR 300

Потолочный обогреватель с открытым ТЭНом Energotech EIR 300

Сегодня в РФ предлагаются ТЭНовые, галогеновые и карбоновые стационарные и переносные приборы, в частности, компаний и брендов Energotech – высота установки 3–40 м, мощность 0,5–6 кВт (рис.3); Frico (Швеция) – высота установки 3–20 м, мощность 0,33–6 кВт (ряд моделей использует нагрев воды); «БиЛюкс» – высота потолков 3–6 м, мощность 0,8–2,8 кВт;  «Макар» – карбоновые, имеющие тепловую мощность от 0,9 кВт; «Эколайн» (Москва) – в зависимости от модели с высотой установки от 2,2 до 20 м и мощностью 0,4–4 кВт; «Делсот» (Миасс) – взрывозащищенные, мощность 1–2 кВт; НПП «Купол» (Ижевск) – обращенные к полу теплоизлучающие панели с вмонтированными в них ТЭНами, мощность 0,7–4,2 кВт (рис. 4, 5) и др.

Рис. 4. Настенный обогреватель «Купол ТВС-1240»

Настенный обогреватель «Купол ТВС-1240»

Рис. 5. Потолочный обогреватель «Купол ОИм-2.0»

Потолочный обогреватель «Купол ОИм-2.0»

ТЭН в обогревателях может быть закрыт излучающей панелью, увеличивающей площадь излучателя. В конструкции панельного обогревателя  Ballu BIH-AP-2.0 мощностью 2 кВт, массой 7,8 кг и габаритными размерами (В × Ш × Г): 40 × 1630 × 255 мм (производство локализовано в РФ) применены панели из алюминиевого сплава с продольным рифлением и анодированием (толщина покрытия 0,025 мм). А двухслойная подкладка из теплоотражающих материалов предотвращает нежелательный кондуктивный перенос тепла к верхним ограждающим конструкциям.

Галогенный инфракрасный обогреватель, например General RH06, представляет собой стеклянную колбу, заполненную инертным газом, с вольфрамовой нитью, которая, накаляясь, инициирует ИК-излучение газа. Такие обогреватели требуют предварительного разогрева и выходят на максимальную мощность за 30–45 с. Они могут применяться и в помещениях, и для создания зон локального обогрева (в гараже, на даче), и в технологических процессах сушки.

В карбоновом обогревателе инфракрасное излучение генерируется углеродистым волокном, заключенном в вакуумную стеклянную трубку.  Например, обогреватель К1500, выпускаемый компаний «БиЛюкс», имеет два режима мощности – 600/1200 Вт, функцию вращения на 180 ˚, габаритные размеры 810 × 270 × 150 мм и массу 3,5 кг. Обогреватель «Макар ТОР» мощностью 0,9 кВт и габаритными размерами: 652 × 145 × 76 мм весит 2,5 кг. Углеродосодержащий материал, находящийся в кварцевой вакуумной трубке, позволяет ТОРам практически моментально выходить на рабочий режим, а особенности конструкции делают ресурс нагревательного элемента очень большим. При мощностью 0,9 кВт прибор способен обогреть помещение площадью до 30 м2 . Сектор прямого теплового потока составляет 110°, а спектр излучения аналогичен солнечному.

Теплый пол, потолок и стены

Сегодня популярными  становятся кабельные и пленочные панельные системы обогрева. При использовании таких систем для обогрева дорожного полотна их  в общем случае некорректно позиционировать как ИК, но в то же время системы, аналогичные  им и установленные в помещении, осуществляют передачу тепла также за счет ИК-излучения. И многие компании акцентируют внимание потребителей  именно на этом. Такие системы, в том числе и с жидким теплоносителем, применяемые не как чисто кондуктивные (ангигололедные), можно считать (в известном приближении) ИК-обогревом.

Наиболее часто встречающаяся их разновидность – так называемый «теплый пол», нагреваемый либо электричеством, либо жидким теплоносителем. При этом существуют как настенные панельные («теплые стены»), так и  потолочные их вариации. Такие системы климатизации (обычно они используются и для кондиционирования) предлагают многие фирмы. При настенном панельном отоплении упор делается на экономии энергии, достигаемой, в частности, за счет ИК-излучения настенных панелей. Несмотря на их невысокую температуру,  именно тепловое излучение позволяет поддерживать комфортные условия в помещении при температуре воздуха на 2–3 °С ниже, чем при традиционных схемах отопления. В качестве примера можно привести систему KAN-therm, в которой используются трубы PE‑RT Blue Floor, производимые из сополимера октанового полиэтилена с повышенной термической стойкостью в соответствии с PN‑EN ISO 22391–2:2010.

Панели ИК-отопления начали активно применяться в РФ еще давно, но затем они были незаслуженно забыты. Однако сегодня, в связи с комфортностью и экономичностью такого обогрева (возможность поддерживать температуру воздуха в помещении на 2–3 °С ниже, чем при традиционных схемах отопления), интерес к их применению вырос. Такие модульные ИК-панели, срок службы которых составляет более 35 лет, производит, например, компания SABIANA (официальный представитель в России – ООО «СабиаРУС»). Применение этих отопительных приборов позволяет экономить до 60 % энергоносителей.

Конструкция отопительного прибора панельного отопления на базе плит Tacker  выполняется мокрым способом. Трубы крепятся к изоляции пластмассовыми шпильками, а затем заливаются жидким цементным раствором. Панельное отопление на базе системных плит  TBS выполняется сухим способом. Трубы укладываются в профилированных изоляционных плитах, а затем прикрываются плитами сухой стяжки толщиной, зависящей от запроектированной эксплуатационной нагрузки поверхности. Тепло  равномерно передается плитам через стальной излучающий профиль, вставляемый в канавки плит. Диаметры труб с теплоносителем –12–26 мм.

Система кабельного обогрева состоит из нагревательных кабелей, которые управляются электронными терморегуляторами. Нагревательные маты с закрепленным в них кабелем выпускаются в рулонах и подходят для различных видов поверхности – от установки в тонкую клеевую мастику под керамической плиткой до горячего асфальта. В качестве примера можно привести систему электрического подогрева Devidry (компания Devi), состоящую из матов толщиной 8 мм, выполненных из звуко- и теплоизолирующего материала со встроенным нагревательным кабелем. Соединяя эти элементы между собой, можно смонтировать нагреватель необходимых размеров и мощности.

Тепловыделяющий элемент в пленочные системах  – карбоновые полосы на полиэстерной основе. Возможно также графитовое напыление на пленке, превращающее всю ее в нагревательный элемент. Тепловая мощность пленок до 450 Вт/м2, а их ширина – 1 м.  Так, нагреватель Sin Plen толщиной 0,6 мм ООО «НИК«Синион» (Москва) представляет собой ткань шириной 0,6 м с резистивными элементами, обеспечивающими удельную тепловую мощность 300 Вт/м2 . Резистивные  элементы используются для электро- и гидроизоляции между двумя слоями лавсановой пленки.         

ГК «К-Technologies» (г. Волгоград)  производит саморегулирующийся карбоновый нагреватель UNIMAT, представляющий собой «лесенку» высокотехнологичных гибких стержней из композитного материала на основе карбона (аморфного углерода), серебра и графита, расположенных параллельно с шагом 100 мм. Стержни соединены медным кабелем и подключены с помощью терморегулятора к источнику переменного тока 220 В. Причем более 90 % излучения теплого пола UNIMAT имеет длину волны 8–14 мкм, т.е. находится в той части спектра, что максимум (10 мкм) теплового излучения человека.

Такой стержневой ИК-пол – это интеллектуальная система обогрева, в которой реализовано несколько оригинальных инновационных технологических решений. Саморегулирование системы обеспечивает композитный материал стержней, содержащий мелкодисперсный графит. При увеличении температуры происходит расширение материала, расстояние между зернами графита увеличивается, а количество микроконтактов между ними и, соответственно, мощность (тепловыделение) снижаются. Обратный процесс происходит при уменьшении температуры.

Такая конструкция не только предотвращает локальный перегрев, но и не боится механических повреждений: параллельное подключение стержней обеспечивает функционирование системы даже после повреждения отдельных стержней. Максимальная длина мата ограничена лишь допустимой нагрузкой на медные проводники.

Если в доме газ

В обогревателях «светлого» типа газ под давлением подается в камеру и смешивается с воздухом, затем газовоздушная смесь поступает на перфорированные керамические пластины – источники ИК-излучения – и сгорает (рис. 6). Для усиления эффекта обогрева, направления излучения в обогреваемую зону и снижения теплопотерь над излучателем размещается отражатель (часто имеющий сверху теплоизоляцию), изготавливаемый из нержавеющей стали или алюминия.

Рис. 6. «Светлый» потолочный керамический ИК-обогреватель

«Светлый» потолочный керамический ИК-обогреватель

В классических газовых ИК-обогревателях «светлого» типа обычно не предусматривается система удаления дымовых газов. Вместе с более высокими, чем у «темных» приборов, плотностью потока излучения и КПД лучистой составляющей это определило их область применения – открытые площадки и помещения с высоким потолком, оборудованные системами принудительной вентиляции.

В то же время область использования газовых каминов, оборудованных системами дымоудаления, – исключительно бытовой сектор, где они служат в основном источниками дополнительного, комфортного теплоснабжения. Однако достаточно высокий КПД (выше 90 % при наличии принудительной конвекции и водяной «рубашки») в принципе позволяет применять такие печи-камины и как основной источник теплоснабжения. Интересно, что ряд производителей допускает использование в таких приборах трех типов горелочных устройств – газовых, жидкотопливных и биотопливных (пеллетных), смена которых может осуществляться при небольшой модернизации.

Типичная конструкция мобильного уличного газового обогревателя – «фонарь» или «гриб», в основании которого располагаются баллон со сжиженным газом, а в «шляпке» – горелка и сетчатый отражатель, локализующий зону горения. Блок ручного управления (пьезорозжиг, регулятор мощности) находится в верхней части стойки.

В последнее время появляются обогреватели с «открытым» или «живым» пламенем, локализованным в колбе из кварцевого стекла. Такой прибор, обычно имеющий пирамидальную форму с треугольником или квадратом в основании, служит также и источником освещения (рис. 7). Сравнительно реже встречаются конструкции подвесных уличных ИК-обогревателей.

Рис. 7. Фонарь-обогреватель Ballu BOGH-13

Фонарь-обогреватель Ballu BOGH-13

В нашей стране предлагаются уличные инфракрасные обогреватели брендов Balu (Китай), Kroll (Германия), FALO (Италия), «Мастер-Лето» (Иркутский завод бытового оборудования), «Солярис» (ГК ТСС), «Тибет» (Ижевский электромеханический завод «Купол») и др.

Уличный ИК-обогреватель Kroll W12VA состоит из цилиндрического корпуса, в котором размещается баллон для сжиженного газа, стойки, внутри которой проходит шланг, соединяющий газовый баллон с горелочным устройством, и цилиндрической сетки круглого сечения, на которой крепится блок ручного управления (рис. 8). Сверху сетки размещается инжекционная газовая горелка низкого давления, пламя которой локализуется в области металлического сетчатого излучателя. Регулируемая мощность прибора – 6,5–10 кВт, масса – 30 кг, обогреваемая площадь диаметром до 6 м. Топливом служит пропан-бутановая смесь, одного баллона которой (масса 11,5 кг) достаточно для функционирования прибора в течение ½ суток. Реализация технологии «открытого пламени» позволяет добиться особой эстетики стиля ностальжи, ассоциативно соотносимой с горящими факелами. И хотя функционал таких приборов как осветительных сомнителен, они все же позиционируются как комфортные свето- и теплоисточники.

Рис. 8. Бытовой уличный газовый ИК-обогреватель KROLL W12VA.

Бытовой уличный газовый ИК-обогреватель KROLL W12VA.

Например, в обогревателях FALO PROMETEY, выполненных из нержавеющей стали и алюминия, с «открытым» пламенем, окрашиваемым в различные цвета, его высота может достигать 1,5 м. Расход пропан-бутановой смеси составляет в среднем 0,88 кг/ч при обогреве площади 25 м2.

Статья из журнала Аква-Терм, №2/16, рубрика "Отопление и ГВС"




Поделиться:

вернуться назад