Введение. В связи с постоянным ростом стоимости и потребления тепловой энергии вопрос снижения использования энергоресурсов стал одним из основных в мировой строительной отрасли [1]. Основным потребителем тепловой энергии являются здания с большим отапливаемым объемом [2]. Наиболее эффективный способ энергосбережения для таких зданий - использование систем лучистого отопления [3]. Такие системы потребляют меньше тепловой энергии, чем конвективные, и при этом не снижают уровень комфорта [4].
Особенность систем лучистого отопления в том, что они подают тепловую энергию непосредственно в рабочую зону [5, 6]. Энергия от инфракрасного излучателя скапливается в поверхностном слое, создавая конвекционные потоки и нагревая воздух в зоне обслуживания. Это снижает общее энергопотребление [7].
Цель исследования. Лучистое отопление с использованием “светлых” или “темных” излучателей является наиболее энергоэффективным. В таких системах теплоноситель отсутствует, и тепло передается в помещение непосредственно от сжигания газового топлива. В помещениях с высокими требованиями к пожарной безопасности использование указанных излучателей недопустимо [8]. Применение “светлых” газовых излучателей приводит к выбросу продуктов сгорания в помещение и увеличению производительности принудительной вентиляции, что повышает стоимость системы. Также использование таких систем может оказаться экономически невыгодным из-за сложности подключения к газу во многих регионах.
Системы лучистого отопления, использующие водяные инфракрасные излучатели, считаются наиболее эффективными с неограниченной областью применения [9]. В качестве теплоносителя в такой системе выступает вода температурой до 150 °C, а отопительные приборы представлены алюминиевыми профилями сложной геометрической формы. От энергоносителя тепловая энергия передается к алюминиевому профилю, излучающему электромагнитные волны для обогрева рабочей зоны внутри помещения.
Материал и методы исследования. В основе УНИЦ «СОНИИ», ФГБОУ ВО ННГАСУ находится лаборатория лучистого отопления с ВИИ (рис. 1). Для оснащения лаборатории был приобретен ряд уникальных приборов, необходимых для проведения исследований.
Параметры профиля марки Helios 750: ширина/высота – 170/170 мм. Параметры профиля марки Flower 125: ширина/высота – 125/125 мм. Профили изготавливаются из коррозионностойкого, анодированного алюминиевого сплава (AlMgSi0,5), рабочее давление – 1 МПа. Опытные образцы были разработаны и предоставлены нашими промышленными партнерами. Наша испытательная установка состоит из инфракрасных профилей длиной в 1 метр каждый, которые можно включать и выключать по отдельности для имитации различных участков системы. Это позволяет нам использовать известные методы тестирования и разрабатывать новые методы проектирования систем лучистого отопления.
|
|
|
|
|
Рис. 1. Общий вид Лаборатории лучистого отопления
Результаты исследования и их обсуждение. Наружная стена используется в качестве элемента испытательного оборудования для изучения теплового режима помещения и позволяет изменять толщину изоляции от 0 до 150 мм. Для исследования были использованы теплоизоляционные панели «Пеноплэкс Основа» с коэффициентом теплопроводности λБ = 0,032 Вт/(м∙°C). Прибор «Теплограф» с модулем-02 использовался для измерения теплового потока. Измерения проводились в соответствии с методикой [7]. Схемы экспериментов представлены на рисунках 2 и 3.
Рис. 2. План Лаборатории лучистого отопления ННГАСУ
Рис. 3. Лабораторная установка в составе: 1 – «Теплограф»; 2 – датчики плотности теплового потока; 3 – датчики температуры поверхности; 4 – датчики температуры воздуха; 5 – стена наружная; 6 – изоляция «Пеноплэкс Основа»
Мы исследовали температурный режим помещения при лучистой (первый этап) и конвективной (второй этап) системах отопления. В результате были получены следующие экспериментальные данные (см. рис. 4).
Рис. 4 – Показания датчиков при исследовании температурного режима помещения: а, б – на первом и втором этапе соответственно.
По выше представленным результатам можно сказать следующие:
1. При первом этапе эксперимента показания датчиков на потолке меньше, чем во втором этапе, что говорит о меньшей температурной стратификации. При этом даже при размещении датчиков непосредственно над излучающим профилем показатели ниже на первом этапе.
2. Датчики, располагаемые на поверхности потолка отапливаемого помещения, показали более низкие значения при применении лучистой системы отопления. Что указывает на меньшую температурную стратификацию при использовании лучистого нагрева.
3. Датчики, расположенные на полу, показали более низкие результаты при проведении второго этапа эксперимента, что обусловлено более низкой плотностью излучения поверхности пола.
4. Температурный режим рабочей зоны, во время проведения первого и второго этапа, почти не отличался, так как показания датчиков, располагаемых в дали от нагревательных приборов почти, не отличались.
5. Датчики, расположенные на стене вблизи отопительных приборов при проведении второго этапа эксперимента, показали более высокие данные.
Эксперименты проходили в два дня со схожими параметрами наружного воздуха. Параметры теплоносителя и мощности систем лучистого и конвективного отопления, для чистоты эксперимента, были отрегулированы. Полученные результаты показаны на рисунке 5.
Рис. 5 - Показания датчиков. а – показания датчиков температуры: 1, 2 – температура на внутренней поверхности, во время проведения первого и второго этапа соответственно, 3, 4 – температура на наружной поверхности, во время проведения первого и второго этапа соответственно, 5, 6 – температура наружного воздуха, во время проведения первого и второго этапа соответственно; б – показания датчиков плотности теплового потока: 1, 2 – на первом и втором этапе соответственно.
По выше представленным результатам можно сделать следующие выводы:
1. Датчики, расположенные на наружной стене, показали более низкие показатели, что говорит об отсутствии ее облучения.
2. На втором этапе эксперимента температурный напор и тепловой поток были ниже, чем на первом этапе.
3. Во время второго этапа эксперимента, температурный напор между температурой внутреннего воздуха и температурой внешней поверхности был ниже, что указывает на более высокую относительную температуру на облучаемой поверхности.
Выводы или заключение. На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Системы лучистого отопления с применением водяных инфракрасных профилей могут значительно уменьшить температурную стратификацию внутреннего воздуха, не только в помещениях большого объема, но и в меньших, по объему, помещениях. В результате чего снижается для теплопотерь через покрытие помещения.
3. Система позволяет снизить температуру воздуха рабочей зоны, за счет повышения радиационной температуры. Что позволяет снизить энергопотребление системы без снижения уровня температурного комфорта человека.
4. Система является наиболее энергоэффективной, что достигается за счет следующих факторов:
- снижение теплопотерь через покрытие помещения за счет низкой температурной стратификации и как вследствие отсутствия тепловой подушки;
- уменьшение тепловой нагрузки на систему отопления достигается уменьшением температуры воздуха рабочей зоны, без снижения у ровня теплового комфорта;
- увеличение времени дежурного отопления и уменьшения времени переходного режима за счет низкой тепловой инерции системы.