Рекомендуемые давления пара в котле паровых систем отопления

низкого давления

Параметры	Численные значения параметров при длине расчетной ветки, м , равной
	50	50-100	100-200	200-300
Давление пара, МПа	0,005	0,005-0,01	0,01-0,02	0,02-0,03

При теплоснабжении от одной котельной группы зданий принимают более высокие давления пара в котле.

Располагаемым давлением на преодоление сопротивлений трению и местных сопротивлений в паропроводе системы отопления является разность начального давления пара в котле (или в тепловом пункте после редуктора) Р_н, Па, и конечного - перед вентилем наиболее удаленного от котла прибора Р_к, Па. Кроме того, на преодоление сопротивления вентиля и отопительного прибора в системах низкого давления при самотечном конденсатопроводе предусматривают дополнительно от 1,5 до 2,0 кПа. При напорном конденсатопроводе конечное давление пара перед прибором определяют как

Р_к = Р^*_к / 0,95 , (2.32)

где Р^*_к – давление, Па, после отопительного прибора (в начале конденсатопровода).

В паровых системах низкого давления потери на местные сопротивления ориентировочно принимают равными  = 0,35 от полной потери давления в расчетное ветке, а в системах высокого давления  = 0,2. С учетом этих значений определяется ориентировочная средняя потеря давления на трение , Па/м, в расчетной ветке

, (2.33)

где - суммарная длина всех участков расчетной ветки, м.

Используя справочные таблицы, по величине и тепловой нагрузке участка подбираются диаметры паропровода (также как и при расчете водяных систем). Таблицы для гидравлического расчета паровых систем низкого и высокого давления различны, они имеются в справочной литературе [14]. Величины коэффициентов местного сопротивления  в системах парового отопления принимают такими же, как и в системах водяного отопления. В системах низкого давления потери давления на преодоление местных сопротивлений подсчитывают при средней плотности пара  = 0,634 кг/м³, соответствующей среднеарифметическому давлению в паропроводе Р_ср = 0,01 МПа, или принимают по справочным таблицам, составленным специально для систем парового отопления низкого давления.

Невязка расчетных потерь давления между отдельными ветками не должна превышать 15% для паропровода и 10% для конденсатопровода.

Диаметры безнапорных конденсатопроводов обычно не рассчитывают, а определяют по справочным таблицам в зависимости от длины, количества теплоты, выделяемой паром при конденсации, и вида конденсатопровода (сухой, мокрый, вертикальный, горизонтальный). Напорные и двухфазные конденсатопроводы рассчитываются по специальным методикам, приводящимся в справочниках.

Для обеспечения бесшумной работы и предотвращения гидравлических ударов, скорости пара в трубопроводах не должны превышать нормативных значений, установленных СНиПом. Для систем отопления низкого давления при попутном движении пара и конденсата 30 м/с, а при встречном - 20 м/с. В системах высокого давления при попутном движении пара и конденсата 80 м/с, а при встречном – 60 м/с.

Гидравлический расчет паропроводов высокого давления ведут не по средней плотности пара для всего паропровода, как в системах низкого давления, а по фактической плотности на каждом участке. Этот расчет выполняется по специальным справочным таблицам, все данные которых приведены к стандартным условиям, то есть к расчетной плотности пара _таб = 1,0 кг/м³. При этом действительные потери давления и скорости пара в трубопроводе определяются на основании табличных данных с использованием следующих формул пересчета

R = R_таб /  , (2.34)

v = v_таб /  . (2.35)

Потери давления на местные сопротивления учитываются путем замены местных сопротивлений эквивалентной длиной, то есть такой длиной прямого участка трубопровода данного диаметра, для которой потеря на трение равна потере в данном местном сопротивлении. Значения эквивалентных длин L_экв, м, в зависимости от и диаметра паропровода приводятся в справочниках. Полные потери давления в паропроводе при этом вычисляются, как .

Лекция 14. СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ

При воздушном отоплении в качестве теплоносителя используют воздух, нагретый до температуры более высокой, чем воздух в помещении. Нагретый воздух подается в помещение и, смешиваясь с внутренним воздухом, отдает ему то количество теплоты, которое необходимо для компенсации тепловых потерь помещения.

Системы воздушного отопления подразделяются:

- по виду первичного теплоносителя, нагревающего воздух на паровоздушные, водовоздушные, газовоздушные;

- по способу перемещения нагретого воздуха на естественные, с перемещением воздуха за счет разности плотностей холодного и нагретого воздуха и с механическим побуждением, осуществляемым при помощи вентилятора;

- по месту приготовления нагретого воздуха на централизованные, с подачей воздуха в помещение из одного центра, и децентрализованные с подачей воздуха местными отопительными, отопительно-вентиляционными агрегатами или газовыми теплогенераторами;

- по схеме подачи воздуха в помещение на прямоточные, работающие только на наружном воздухе, рециркуляционные, работающие на внутреннем воздухе и с частичной рециркуляцией.

Рециркуляция воздуха не допускается в помещениях, в воздухе которых содержатся болезнетворные микроорганизмы и сильно действующие ядовитые вещества, а также в помещениях, где возможна концентрация вредных веществ, большая предельно-допустимой. Кроме того, применение полной или частичной рециркуляции не разрешается в производственных зданиях, отнесенных к категориям А и Б по пожарной опасности.

На промышленных предприятиях широко применяются системы воздушного отопления, совмещенные с вентиляцией (как с сосредоточенной, так и с рассредоточенной подачей воздуха). Для совмещенных систем воздушного отопления и вентиляции выпускаются типовые приточные камеры со встроенной теплоизоляцией, укрупненные воздушно-отопительные агрегаты теплопроизводительностью до 400 кВт.

При проектировании воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, следует стремиться к тому, чтобы все необходимое оборудование (приточные камеры, воздуховоды и трубопроводы систем отопления и теплоснабжения) размещать на техническом этаже, в межферменном пространстве и в подпольных проходных каналах.

Такое размещение отопительно-вентиляционного оборудования удобно тем, что не препятствует технологическому процессу и не мешает оперативному изменению технологических линий при модернизации конвейера и переходе на новые технологии.

В системах воздушного отопления с укрупненными отопительно-вентиляционными агрегатами воздух может подаваться в помещение одной или несколькими горизонтальными струями с параллельным или веерным направлением потока.

К основным преимуществам систем воздушного отопления перед другими системами относятся:

- возможность совмещения с вентиляцией;

- отсутствие тепловой инерции (тепловой эффект при включении системы достигается немедленно);

- меньшая металлоемкость (расход металла в 6-8 раз, а капитальные затраты в 1,5-2 раза меньше по сравнению с водяным отоплением).

К недостаткам воздушного отопления относятся возможность перемещения вредных выделений вместе с воздухом, шум при работе вентиляторов, большой расход электроэнергии. Расход воздуха м³/ч, для воздушного отопления, не совмещенного с вентиляцией, следует определять согласно СНиП [10] по формуле

, (2.36)

где Q_от – требуемая теплопроизводительность системы отопления, Вт;

; c – плотность, кг/м³, и теплоемкость, кДж/кгС, воздуха;

t_пр– температура подогреваемого приточного воздуха, определяемая при расчете воздухораспределения, С;

t_р.з – нормативная температура воздуха в рабочей зоне помещения, С.

В системах воздушного отопления, совмещенных с вентиляцией, (при известном воздухообмене L, м³/ч, определенном по нормам вентиляции) рассчитывается требуемая температура подогрева приточного воздуха, , С, подаваемого в помещение

. (2.37)

Требуемая теплопроизводительность вентиляционного калорифера, Вт, в системах воздушного отопления определяется по формулам:

• при полной рециркуляции

. (2.38)

• при работе на наружном воздухе без рециркуляции

, (2.39)

где t_н.р.о – расчетная температура наружного воздуха для расчета отопления, С.

• при частичной рециркуляции

, (2.40)

где _р.з ; _н - плотности воздуха рабочей зоны и наружного воздуха, кг/м³;

L_р и L_н – расходы рециркуляционного и наружного воздуха, м³/ч, сумма которых равна общему воздухообмену помещения

L = L_р + L_н . (2.41)

Предельная температура подогрева воздуха t_пр в системах воздушного отопления не должна превышать 70, чтобы не вызывать пригорания органической пыли.

Системы водо- и паровоздушного отопления являются традиционными. Они хорошо зарекомендовали себя на многих объектах промышленной сферы. По конструкции, набору используемого оборудования и методам расчета такие системы практически не отличаются от обычных систем промышленной вентиляции, подробно рассмотренных в следующей главе. Однако, наряду с традиционными системами воздушного отопления в последнее время начали широко внедряться установки газового воздушного отопления с подачей в отапливаемое помещение не только нагретого наружного (или рециркуляционного воздуха), но и смеси воздуха с продуктами сгорания природного газа [20].

Рассмотрим основные типы современных аппаратов, предназначенных для газо-воздушного отопления.

Газо-воздушные теплогенераторы представляют собой специальные рекуперативные воздухонагреватели, работающие по принципу прямой передачи теплоты от продуктов сгорания через стенки теплообменника нагреваемому воздуху. Продукты сгорания в таких аппаратах отводятся через дымоход наружу. Газо-воздущные теплогенераторы могут использоваться не только для непосредственного отопления помещений, но и совмещаться с системами приточной вентиляции или технологическими установками (например, конвективными сушилками). Номинальная теплопроизводительность серийно выпускаемых газовоздушных теплогенераторов от 1,7 кВт до 2 МВт. КПД агрегатов разных моделей достигает 96%. В летнее время они могут работать в режиме вентиляции, без нагрева воздуха. Подача нагретого воздуха в помещение осуществляется вентилятором, а раздача может осуществляться через жалюзийные решетки, установленные на агрегате, или через систему воздуховодов. Такие аппараты устанавливаются, как правило, настенно, с забором наружного воздуха на горение и удалением продуктов горения за пределы обогреваемого помещения.

Все типы современных газо-воздушных теплогенераторов оснащаются блоками автоматики, регулирующей горение, температурный режим, время включения и отключения горелки, при достижении заданной температуры воздуха в помещении.

Особый интерес вызывают конструкции теплогенераторов разработанных научно-исследовательской лабораторией Аpen Group серий «Kondensa» и «Plus». Теплогенераторы «Kondensa» представлены шестью моделями, отличающимися производительностью по воздуху от 3300 до 9750 м³/ч и выходной тепловой мощностью от 10,2 до 93,4 кВт. За счет использования эффекта конденсации продуктов сгорания, КПД таких аппаратов, рассчитанный по низшей теплотворной способности газа ( ), может достигать 105 %. Модулируемая горелка позволяет поддерживать температурный режим работы теплообменника, соответствующий точке росы дымовых газов. При этом на тепловоспринимающей поверхности со стороны газового тракта происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания. За счет этого поверхностью теплообменника воспринимается дополнительное количество тепловой энергии, равное скрытой теплоте парообразования, которое не учитывается показателем . Таким образом достигается КПД выше 100%. По данным разработчиков, применение теплогенератора «Kondensa» позволяет уменьшить расход топлива не менее, чем на 30 % по сравнению с использованием традиционных теплогенераторов.

Типоряд теплогенераторов «Plus» по воздухопроизводительности и тепловой мощности полностью аналогичен типоряду «Kondensa». Однако КПД этих теплогенераторов существенно меньше (до 94,5 %), так как в их кострукции не предусмотрена возможность конденсации паров из продуктов сгорания.

Теплогенераторы обеих серий укомплектованы хронотермостатом с возможностью поддержания температуры по програмируемому временному графику, что позволяет автоматически регулировать температуру воздуха в зависимости от сменности работы. В нерабочее время температура воздуха может поддерживаться в дежурном режиме на уровне +5 С, что обеспечивает дополнительную экономию теплоты.

Аналогичную продукцию производит фирма «Roвur», которая вывускает семь моделей газо-воздушных теплогенераторов с максимальной тепловой мощностью от 21 до 70,2 кВт и производительностью по воздуху от 1700 до 6200 м³/ч. Основной отличительной особенностью теплогенераторов этой фирмы является дифференцированная температура нагретого воздуха в приточной струе. Воздушная струя на выходе имеет двухслойную структуру. Верхний слой с температурой, несколько меньшей температуры нижнего слоя, не дает более нагретому воздуху (даже на значительном расстоянии порядка 15 м от воздухораздающего отверстия) подниматься вверх. Это позволяет избежать дисперсии теплоты, уменьшив температурный градиент по высоте помещения. Авторы назвали этот процесс – “эффект Земля”.

Мощные рекуперативные газовые воздухонагреватели находят все более широкое применение в нашей стране для отопления различных зданий и помещений большого объема.

Однако практически не применяются приборы малой тепловой мощности с отличным дизайном и регулируемой тепловой нагрузкой, пригодные для отопления небольших помещений, отдельно стоящих одно-двухэтажных зданий различного назначения. Так, например, для этих целей компания Robur выпускает газовые вентиляторные воздухонагреватели с номинальной тепловой мощностью 1,696,98 кВт, показанные на рис. 2.12. Подобные изделия поставляют на отечественный рынок многие зарубежные фирмы и возможность выбора отопительных приборов такого типа вполне достаточна.
	Рис. 2.12. Газовый воздухонагреватель фирмы Robur

Агрегаты прямого нагрева воздуха (воздухонагреватели смесительного типа) работают по принципу частичного или полного смешения продуктов сгорания с наружным или внутренним (рециркуляционным) воздухом. Газ, поступающий на горение, полностью сгорает в потоке нагреваемого воздуха. При этом продукты сгорания перемешиваются с воздухом и смесь подается в отапливаемое помещение.

В настоящее время разработаны конструкции смесительных газогорелочных блоков, в которых процесс горения происходит с высокой эффективностью, обеспечивая высокие КПД и необходимую полноту сжигания топлива. Автоматика большинства таких воздухонагревателей обеспечивает запуск, контроль параметров безопасной работы и возможность регулирования тепловой мощности, что позволяет с большой точностью поддерживать температуру воздуха в отапливаемом помещении на заданном уровне.

Применение газовых агрегатов прямого нагрева воздуха находит широкое применение при организации приточной вентиляции и воздушного отопления производственных зданий различного назначения. Особенно эффективно их применение в воздушно-тепловых завесах и теплотехнологических установках сушки и нагрева.

По данным [20] использование агрегатов прямого нагрева воздуха для отопления и вентиляции промышленных помещений с большой кратностью воздухообмена всегда обеспечивает экономию топлива по сравнению с традиционными системами отопления за счет более высокой энергоэффективности выработки и полного отсутствия потерь теплоты при транспортировке.

Преимущества применения агрегатов прямого нагрева: высокий коэффициент использования топлива (99,5  99,96%), надежность работы и относительная простота конструктивных решений, отсутствие дымоходов, надежная автоматизация процессов горения и регулирования температуры газовоздушной смеси, а также точность поддержания заданной температуры воздуха в помещении.

Кроме описанных устройств в современной отопительно-вентиляционной практике начали применяться работающие на газе теплообменные модули, представляющие универсальный нагревательный блок, встраиваемый в систему воздушного отопления, вентиляции или кондиционирования. Они экологически чисты, имеют низкий уровень шума, могут устанавливаться как до вентилятора, так и после него (на подаче). В зависимости от конструкций горелочного блока и теплообменника КПД таких модулей изменяется в диапазоне от 94,6 до 105 %. Большой диапазон тепловой мощности и производительности по воздуху позволяет выбрать необходимую конструкцию, удовлетворяющую всем техническим требованиям. Многие фирмы выпускают комбинированные климат-системы с интегрированными модулями газового воздушного отопления и кондиционирования.

Практически все рассмотренные системы и установки газового воздушного отопления имеют ряд преимуществ перед системами конвективного отопления с теплоносителями вода и пар. Основные из них:

1. Малые капитальные затраты и незначительные эксплуатационные расходы, связанные с существенным уменьшением металлоемкости, отсутствием теплогенераторов с промежуточным теплоносителем и теплотрасс, невозможностью размораживания системы.

2. Высокий коэффициент использования топлива и возможность программирования температурного режима в помещении, что позволяет экономить от 20 до 40% первичного энергоносителя (газа).

3. Возможность совмещения системы воздушного отопления с приточной вентиляцией или системой кондиционирования.

4. Малая инерционность, быстрый выход на рабочий режим.

5. Автоматизация контроля процесса горения позволяет сжигать газ с высокой полнотой сгорания. Оксид углерода – СО в продуктах сгорания практически отсутствует, содержание оксидов азота – NO_х не превышают 30 ррm (пропромилей), что свидетельствует о значительном снижении загрязняющих выбросов в атмосферу.

Лекция 15. СИСТЕМЫ ГАЗОВОГО ЛУЧИСТОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТОПЛЕНИЯ

Газовое лучистое отопление. Для обогрева рабочих мест на открытых и полуоткрытых площадках, а также в промышленных зданиях большой высоты и объема используют газовые излучатели. Эти отопительные приборы представляют собой газовые горелки специальной конструкции.

По степени нагрева излучающей поверхности, независимо от конструкции горелок, газовые излучатели принято условно подразделять на две группы: «светлые» - с температурой излучающей поверхности выше 750  800 С, и «темные» - со средней температурой излучающей поверхности порядка 300  350 С.

При работе газовых излучателей с температурами, большими 800 С, визуально наблюдается темно-красное свечение, исходящее от раскаленной поверхности излучающих насадок и хорошо различимое в видимой области спектра. Отсюда возник термин «светлые» излучатели. Такие излучатели отличаются более высокой интенсивностью удельного теплового потока Ф, Вт/м², вследствие более высокой температуры излучающей поверхности по сравнению с темными излучателями. Сжигание газа в них осуществляется в тонком слое над поверхностью перфорированной керамической излучающей насадки с коэффициентом избытка воздуха 1,021,05, что обеспечивает максимально высокую температуру горения. В результате керамическая насадка раскаляется и начинает излучать в помещение тепловой поток, который непосредственно воспринимается работающими в помещении людьми, а также поверхностями ограждающих конструкций здания и оборудованием.

«Светлые» излучатели помимо керамической, могут иметь металлическую или комбинированную излучающую поверхность, состоящую из перфорированной керамической насадки и размещенной над ней металлической (нихромовой) сетки. Принципиальная схема газового «светлого» излучателя с комбинированной излучающей поверхностью приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Принципиальная схема газового «светлого» излучателя с комбинированной излучающей поверхностью:

1 – cопло; 2 – камера смешения; 3 – диффузор;

4 – камера статического давления смеси;

5 – керамическая перфорированная насадка;

6 – нихромовая сетка; 7 - рефлектор

Излучатель, показанный на рис. 2.13, работает следующим образом. Газ, выходящий из сопла 1, инжектирует необходимое для полного сгорания количество воздуха. Процесс перемешивания газа с воздухом начинается в камере смешения 2 и заканчивается на выходе из диффузора 3, где окончательно выравнивается поле скоростей газовоздушной смеси. В камере 4 динамическое давление потока преобразуется в статическое, под действием которого подготовленная смесь равномерно истекает через многочисленные отверстия в перфорированной керамической насадке 5, сгорая в тонком слое между поверхностью насадки и нихромовой сеткой 6.

Рефлектор 7 служит для создания направленного потока лучистой теплоты.

Излучатели с керамическими и кобинированными излучающими насадками являются селективными. Это значит, что их излучение не подчиняется закону смещения Вина. Максимум излучения приходится на инфракрасную область спектра с диапазоном длин волн 1,55  2,55 мкм [19]. Поэтому такие излучатели иначе называют горелками инфракрасного излучения (ГИИ).

Медиками установлено, что тепловое излучение с длиной волны, большей 2 мкм, поглощается в основном поверхностью кожи человека, а излучение с длиной волны до 1,5 мкм проникает через поверхность кожи, частично нагревает ее, достигает сети кровеносных сосудов, непосредственно повышая температуру крови, что при определенной интенсивности теплового потока вызывает приятное тепловое ощущение.

В отличие от описанной выше конструкции «темные» излучатели представляют собой радиационные трубы. Газовая горелка, расположенная внутри металлической трубы, создает в ней длиннофакельное горение. Труба нагревается от продуктов сгорания до температуры 250  350 С и излучает с наружной поверхности тепловой поток в диапазоне максимума длин волн 5,54  4,83 мкм [19]. Излучатель может быть оборудован вытяжным вентилятором (дымососом), расположенным в конце трубы. Конструкция «темных» излучателей может быть линейной (одна труба) или U-образной.

«Темные» излучатели выпускаются различной мощности и размеров, что позволяет применять их в помещениях, как конструктивно, так и функционально отличающихся друг от друга. Эти излучающие приборы могут устанавливаться на стенах, под перекрытием или по нижнему поясу ферм перекрытия. Они изготавливаются с рефлекторами сложной и простой конструкции, позволяющими изменять индикатрисы излучения.

Общий вид U-образного «темного» газового излучателя показан на рис. 2.14, а на рис. 2.15 показана система газового лучистого отопления промышленного здания.

Рис. 2.14. Темный газовый излучатель фирмы «Fraccaro»

Рис. 2.15. Система газового лучистого отопления промышленного здания.

В настоящее время в России и странах СНГ для систем отопления и технологических нужд применяются темные излучатели, изготавливаемые в Италии фирмой «Fraccaro», в Германии фирмами «Шванк», «Go Gas», а также совместным российско-немецким предприятием СИБШВАНК. В табл. 2.14 в качестве примера приведены технические характеристики темных излучателей этого предприятия по данным [21].

Таблица 2.14

Технические характеристики излучателей «СИБШВАНК».

Основные показатели	Числовые значения
	ГИИ-Т22	ГИИ-Т38
1. Номинальная тепловая мощность, кВт	22	38
2. Расход газа при номинальной мощности, м^3/ч: - природного - сжиженного	2,2 1,7	3,8 2,96
3. Номинальное давление газа перед соплом излучателя, Па: - природного - сжиженного	1274 2940	1274 2940
4. Температура излучающей поверхности, С	400	400
5. Лучистый КПД при номинальной тепловой мощности, изл, % (не менее)	65	65
6. Габаритные размеры излучателей, мм (при U – образной компоновке / линейной) - длина - ширина - высота	4960/9390 508/154 154/132	6565/12390 610/305 154/132
7. Средний коэффициент облученности пола  (при высоте подвеса h = 6 м)	0,6	0,6
8. Масса, кг, не более	64	80

В “темных” излучателях температура поверхности более низкая, видимое свечение отсутствует, но в них, также как и в “светлых”, генерируется не видимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны, лежащей в ифракрасной области спектра.

Инфракрасное излучение не поглощается воздухом и, попадая на тело человека, нагревает подкожные слои на значительную глубину, уменьшая или ликвидируя тем самым дефицит теплоты в организме человека, возникающий при низких температурах окружающей среды. Глубинный механизм поглощения инфракрасного излучения человеческим организмом обеспечивает ощущение теплового комфорта в течение некоторого времени даже после прекращения подвода лучистой теплоты.

Поэтому при использовании для отопления “светлых” или “темных” газовых излучателей не требуется достигать обычного температурного режима во всем объеме здания, а значит, не нужно разогревать воздух и ограждающие конструкции до нормируемой внутренней температуры 18  20 С, так как при лучистом обогреве нормальное самочувствие людей может достигаться при гораздо более низких (12  15 С) температурах среды по сравнению с другими способами отопления.

Элементарный расчет показывает, что при средней температуре отопительного периода, равной – 5 С, снижение внутренней температуры помещений всего на 1 С может обеспечить примерно 4-х процентную экономию топлива в целом за отопительный период. Поэтому при использовании систем газового лучистого отопления может быть достигнута не менее, чем 20 % экономия топлива только за счет общего понижения температуры внутреннего воздуха в промышленных зданиях.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что главными достоинствами систем газового лучистого отопления являются: экономичность, связанная с гораздо меньшими расходами теплоты, требуемыми для создания теплового комфорта в условиях пониженных температур, возможность использования для точечного обогрева локальных рабочих мест, отопления отдельных зон помещения и даже открытых площадок.

В силу указанных причин расчетная мощность систем лучистого отопления, согласно данным [21], как правило, на 20  40 % меньше требуемой установленной мощности традиционных систем водяного отопления, рассчитанной в одних и тех же условиях.

Другим достоинством таких систем является малая инерционность, обеспечивающая практически мгновенный выход системы на расчетный режим после включения излучателей. Этот фактор дает возможность получения дополнительной экономии топлива за счет снижения тепловой нагрузки системы отопления в нерабочее время.

С биологической точки зрения системы лучистого обогрева также являются предпочтительными, так как при их устройстве наибольшее количество теплоты человеческий организм получает за счет излучения, а отдает за счет конвекции. Такой механизм теплообмена организма с окружающей средой, по представлениям современных гигиенистов, в наибольшей степени отвечает условиям нормальной жизнедеятельности. Кроме того, при лучистом обогреве температура поверхности пола и оборудования всегда выше, чем при других способах отопления, что также благоприятно для работающих людей.

С учетом всего вышеизложенного можно констатировать, что использование систем газового лучистого обогрева взамен традиционных водяных или паровых систем способно давать существенный экономический и экологический эффект при отоплении промышленных зданий и помещений большого объема, особенно с нетеплоемкими ограждающими конструкциями типа “сэндвич-панель”.

Однако, проектируя лучистые системы, следует иметь ввиду и их недостатки. Основными недостатками отопительных систем на основе “светлых” излучателей (ГИИ) являются: высокая температура излучающей поверхности, относительная неравномерность температурного поля помещения, поступление продуктов сгорания в отапливаемое помещение, сложность регулирования тепловой мощности в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, повышенная взрывоопасность, связанная с подачей природного газа непосредственно в отапливаемое помещение, а также наличие открытого пламени. Поэтому такие системы должны быть обязательно обвязаны системами автоматики безопасности и контроля горения и использоваться только в помещениях с хорошей вентиляцией.

Отопительные системы на основе “темных” излучателей не имеют большинства перечисленных недостатков, но минимальная установленная мощность таких излучателей 20 кВт не позволяет размещать их ниже 4,5  5 м от пола. При большей установленной мощности, высота подвески излучателей должна быть больше 5,5 м, чтобы интенсивность теплового облучения на рабочем месте в обслуживаемой (рабочей) зоне помещения не превышала 35 Вт/м² при 50% и более облучаемой поверхности тела работающего [21].

Системы лучистого отопления с газовыми или электрическими инфракрасными излучателями, согласно требованиям СНиПа [10], допускается проектировать для отопления отдельных производственных помещений или зон категорий В3, В4, Г и Д, для обогрева участков и отдельных рабочих мест в неотапливаемых помещениях, на открытых и полуоткрытых площадках, а также для помещений общественных зданий с непостоянным пребыванием людей. Применение газовых излучателей в подвальных помещениях, а также в зданиях III, IV и V степеней огнестойкости не допускается. Газовые излучатели допускается применять при условии удаления продуктов сгорания, обеспечивая ПДК вредных веществ в воздухе рабочей или обслуживаемой зоны ниже допустимых величин. Размещение приборов лучистого отопления с температурой поверхности выше 150 С следует предусматривать в верхней зоне помещения.

Задачей теплового расчета систем лучистого отопления является определение требуемого числа излучателей и рациональной схемы их размещения в помещении для обеспечения требуемых параметров теплового комфорта человека на заданных рабочих площадках. При этом не нужно определять расчетные теплопотери помещения. Достаточно лишь рассчитать мощность излучателей, необходимую для обеспечения приведенных в табл. 2.15 требуемых значений средней облученности тела человека q_c, Вт/м², при заданной температуре окружающего воздуха.

Дополнительным условием расчета является проверка не превышения максимально допустимой облученности головы и лица работающих людей. Рекомендуемые численные значения максимально допустимой облученности головы и лица, по данным совместных исследований Института гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР и ВНИИГаз, приведены в табл. 2.16.

Таблица 2.15

Средняя облученность тела человека, необходимая для достижения результирующей температуры теплового комфорта при заданных условиях работы

Результирующая температура теплового комфорта*, , С	Значения qс , Вт/м^2, соответствующие комфортным условиям при температурах внутреннего воздуха, tint,  С, равных
	18	15	12	10	5	0	-10	-20	-30
20	22,1	55,2	88,4	110,5	165,7	221,0	331,5	441,9	552,4
18	-	33,1	66,3	88,4	143,7	198,9	309,4	419,8	530,3
15	-	-	33,1	55,2	110,5	165,7	276,8	386,5	497,8
13	-	-	11,0	33,1	88,4	143,6	253,8	365,2	474,5
Примечание: * ориентировочные значение результирующей температуры теплового комфорта в зависимости от рода работы и одежды работающих: нормально одетый человек в состоянии покоя = 20 С; тепло одетый человек в состоянии покоя = 18 С; легкая физическая работа = 16 С; работа средней тяжести = 15 С;

Зависимость между численными значениями параметров, представленными в таблице 2.15, с высокой точностью аппроксимируется эмпирическим выражением

, (2.42)

где t_int и – температура внутреннего воздуха в помещении и результирующая температура теплового комфорта при соответствующей интенсивности облучения, С;

q_c – средняя интенсивность излучения, воспринимаемого людьми, Вт/м².

Таблица 2.16

Допустимая интенсивность облучения головы человека

Условия работы	Пределы изменения значений qг , Вт/м^2, в интервалах изменения температуры внутреннего воздуха, С,
	0  4	5  9	10  13	14  15
Без головного убора	233  175	163  116	105  70	58  35
В головных уборах	500  400	400  250	250  170	145  85

Расстояние между излучателями должно выбираться по условию не превышения допустимой неравномерности теплового потока в пределах каждой обслуживаемой площадки. Фактическая неравномерность облучения горизонтальных поверхностей, раположенных между зонами действия соседних излучателей, легко определяется методом взаимного наложения индикатрис облученности. Однако такие индикатрисы изготовителями в большинстве случаев не предоставляются. При отсутствии индивидуальных индикатрис облученности для расчета систем лучистого обогрева могут использоваться данные [21] о рекомендуемых зонах действия излучателей и средних коэффициентах облученности различных объектов в пределах этих зон. Рекомендуемая зона действия “темных” излучателей в плоскости пола ориентировочного составляет:

- в поперечном сечении

а = 2h, (2.43)

где h – высота подвеса излучателей над уровнем пола, м;

- в продольном cечении

b = 0,5h + L + 0,5h, (2.44)

где L – длина излучателя, м.

Средние значения коэффициентов облученности представлены в виде графиков на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Графики для определения средних коэффициентов облученности*:

1 – максимальные значения коэффициента облученности головы (_г,max);

2 – минимальные значения коэффициента облученности головы (_г,min);

3 – значения коэффициента облученности тела сидящего человека (_сид);

4 – значения коэффициента облученности тела стоящего человека (_ст);

5 – коэффициенты облученности вертикальных поверхностей (_верт)

* Материалы по расчету систем лучистого отопления предоставлены профессором СГАУ А.К. Родиным.

Пример. Определим отопительную нагрузку и условия размещения газовых излучателей фирмы СИБШВАНК в цехе (рис. 2.15) с размерами 1260 м, высотой 8 м при расчетной температуре наружного воздуха t_ext= – 27С. Средняя температура наружного воздуха за отопительный период t_ht= – 4,3С. Рабочие места в цехе преимущественно стоячие. Работа средней тяжести. Средние коэффициенты теплопередачи: стен из навесных сэндвич-панелей К_ст = 0,438 Вт/м²С; покрытия К_пк = 0,9 Вт/м²С; пола на грунте К_пл = 0,3 Вт/м²С; окон с двойным остеклением К_ок = 2,4 Вт/м²С; коэффициент остекленности наружных стен р = 0,2. Вентиляционная тепловая нагрузка полностью покрывается калориферами приточной системы. Продолжительность отопительного периода z_ht = 196 cут.

Решение

1. Используя данные табл. 2.14, по конструктивным соображениям предварительно выбираем линейный излучатель ГИИ-Т22 длиной 9,39 м (номинальной мощностью 22 кВт), который при высоте подвеса h = 6 м будет иметь зону действия: а = 12 м (в поперечном сечении) и b = 15,39 м (в продольном сечении) при  = 0,6, что обеспечит полное перекрытие площади пола пятью излучателями данного типа.

2. Суммарная установленная мощность системы лучистого отопления при этом составит Q_от = 522 = 110 кВт.

3. Фактическая средняя облученность горизонтальной поверхности пола

Вт/м².

4. Среднее расстояние по вертикали от излучателя до уровня груди стоящего человека h₁ = h – 1,4 = 6 –1,4 = 4,6 м; безразмерный критерий

h₁²/F_пл = 4,6²/(1260) = 0,0294.

5. Средний коэффициент облученности стоящего человека

_ст = 0,4 (по графику рис. 2.16)

6. Средняя величина лучистого потока, воспринимаемого работающими людьми

Вт/м².

7. Приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций здания

=

= = 0,702 Вт/м²С,

где F_cт; F_пк; F_пл – площади стен, покрытия и пола, м²;

F_sum – cуммарная площадь ограждений, равная (F_ст+ F_пк+ F_пл), м².

8. Средняя температура внутреннего воздуха в цехе при работе системы отопления в расчетном режиме с удалением продуктов сгорания в атмосферу

С.

9. Результирующее значение комфортной температуры по формуле (2.42)

С.

Согласно примечанию к табл. 2.15, такая результирующая температура соответствует комфортным условиям при работе средней тяжести, следовательно, предварительно принятая установленная мощность излучателей вполне удовлетворяет условиям работы данного цеха.

10. Проверка допустимого уровня облученности головы и лица работающих.

 Среднее расстояние по вертикали от излучателя до головы стоящего человека h₂ = h – 1,7 = 6 –1,7 = 4,3 м.

 Безразмерный критерий: h₂²/F_пл = 4,3²/(1260) = 0,0257.

 Коэффициенты облученности головы

_г.max = 0,72; _г,min = 0,62 (по графику рис.2.16).

 Максимальная величина лучистого потока, воспринимаемого головой

Вт/м².

 Согласно данным табл. 2.16, такое значение облученности головы при температуре внутреннего воздуха 13 С вполне удовлетворяет условиям работы без головных уборов.

11. Тепловая нагрузка принятой системы лучистого отопления при средней температуре наружного воздуха за отопительный период

=

= = 51,787 кВт.

11. Расход природного газа, потребляемого системой лучистого отопления за отопительный период

т у.т./год,

где - телотворная способность условного топлива, МДж/т у.т.

11. Расчет экономии теплоты относительно альтернативного варианта отопления цеха традициоными конвективными системами отопления.

 Температура воздуха в рабочей зоне, обеспечиваюшая такое же значение = 15,88 С при использовании конвективной системы отопления данного цеха

С,

где _int – коэффициент конвективной теплоотдачи на внутренних поверхностях ограждений, равный 8,7 Вт/м²С.

 Температура воздуха в верхней зоне цеха t_в.з = t_р.з + 3 = 20,68 С.

 Средняя температура воздуха в объеме цеха при конвектном отоплении

С.

 Расчетные теплопотери здания в случае использовании конвективной системы отопления

кВт.

 Расчетный расход топлива в котельной за отопительный период, т у.т./год

=

= т у.т./год,

где _к; _тс; _рег – средний за отопительный период КПД котельной; коффициент эффективности теплосети; коэффициент эффективности центрального регулирования отопительной нагрузки.

11. Годовая экономия топлива от использования системы лучистого отопления

т у.т./год (22 %)

Вывод: рассмотренная система лучистого отопления цеха удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям и обеспечивает условия теплового комфорта в отапливаемом помещении при величине годовой экономии топлива не менее 22 %.

Электроотопление. Принцип действия электрических отопительных приборов основан на законе Джоуля-Ленца, характеризующего тепловое действие электрического тока, протекающего через проводник. В качестве нагревательных элементов используются нихромовые и константановые спирали, имеющие достаточно высокое сопротивление и обладающие хорошими огнеупорными свойствами.

Электронагревательные приборы разделяются на высокотемпературные - с температурой греющих поверхностей более 70 С, и низкотемпературные - с более низкими температурами поверхностей.

К первой группе относятся рефлекторы, электрокамины и электрорадиаторы. Ко второй группе относятся низкотемпературные отопительные панели, выполненные из огнеупорного материала, в массив которого заделывается греющий электрический кабель (например, “теплые полы”).

Cистемы электрического отопления подразделяются на лучисто-конвективные (с применением электрорадиаторов, электроконвекторов, электронагревательных печей, греющего электрокабеля, заложенного в бетонный пол); воздушные ( с использованием электрокалориферов); лучистые (на базе инфракрасных электроизлучателей).

К основным преимуществам этого вида отопления относятся хорошая управляемость, высокая степень автоматизации процесса теплопотребления, отсутствие продуктов сгорания и экологическая чистота, высокая транспортабельность электроэнергии, позволяющая отказаться от тепловых сетей и внутренних трубопроводов, простота и быстрота монтажа электропроводки, а, следовательно, меньшие капитальные затраты в системы, практически стопроцентный КПД нагревательных приборов, компактность, хороший дизайн и эстетический вид электронагревателей.

Недостатками электроотопления являются высокая тарифная стоимость электроэнергии, низкий электрический КПД тепловых электростанций, не превышающий 35-45%, высокая температура открытых витков электронагревательных элементов и, следовательно, низкие гигиенические показатели, повышенная опасность в пожарном отношении.

Использование электроэнергии для отопления зданий вследстве ее высокой стоимости и дефицитности допускается только при технико-экономическом обосновании и согласовании с электроснабжающими организациями в установленном порядке. Электрические системы отопления рекомендуется предусматривать в районах с недефицитной электроэнергией и в местах, где отсутствуют другие энергоисточники.

Электрическим системам следует отдавать предпочтение в случае эпизодического отопления помещений кратковременного использования и при обогреве локальных рабочих мест в неотапливаемых помещениях.

Применение электрических приборов отопления не допускается:

а) в помещениях детских дошкольных учреждений;

б) в больницах и других медицинских стационарах;

в) в банях прачечных и душевых павильонах;

г) в помещениях категорий А и Б;

д) категории В с температурой теплоотдающей поверхности более 100С;

е) в помещениях категорий Г и Д с повышенными требованиями к чистоте воздуха, с выделением горючих пылей и аэрозолей, а также со значительными влаговыделениями.

Улучшение санитарно-гигиенических показателей электронагреватель-ных приборов достигается снижением температуры теплоотдающих поверхностей при использовании схем с промежуточным теплоносителем. Например, масляных электрорадиаторов, электрокотельных и других аналогичных устройств.

При технико-экономическом обосновании электрическое отопление допускается в помещениях, полный перечень которых приводится в Приложении Б СНиПа [10]. Наиболее рациональным электроотопление может быть на транспорте (автобусы, самолеты, электропоезда) или же в тех случаях, когда этот вид отопления является единственно возможным. Кроме того, электронагревательные приборы целесообразно использовать в качестве временных или резервных отопительных устройств.