Проблемы обогрева сельских жилых и животноводческих помещений источниками инфракрасного излучения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 631.2:536.68:66.085.1 Н.В. Цугленок, Я.А. Кунгс

ПРОБЛЕМЫ ОБОГРЕВА СЕЛЬСКИХ ЖИЛЫХ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ ИСТОЧНИКАМИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В статье дан обзор существующих методов обогрева жилых и животноводческих помещений. Показаны направления научно-исследовательских, опытноконструкторских и технологических работ по созданию энергоэкономических систем обогрева.

Актуальность работ по совершенствованию обогревательных устройств сельских жилых, животноводческих и других технологических помещений обусловлена необходимостью оптимизации принципов, методов, способов и средств теплоснабжения, как индивидуальных крестьянских жилищ, так и производственных, технологических помещений. Крайне неудовлетворительное состояние тепловых сетей ЕЭС России, а также ведомственных сетей теплоснабжения отдельных агропромышленных предприятий на уровне ООО, приводит к высокой аварийности и связанной с этим низкой надежностью теплоснабжения, а также к высоким теп-лопотерям. Нельзя также забывать и об экологической опасности из-за использования традиционных источников энергии.

В настоящее время более 90% вырабатываемой тепловой энергии в сельскохозяйственном производстве создается котельными установками водяного или парового отопления. Они работают по схеме: котельная установка - тепловые сети - отопительные приборы. При этом часть выработанной тепловой энергии теряется как в самой теплогенерирующей установке, так и в тепловых сетях, из-за плохой теплоизоляции и других факторов. Теплоисточниками в этих установках являются каменный уголь, мазут, газ и другие не-восполняемые источники энергии.

Существующие в настоящее время схемы управления температурой в помещениях с водяным отоплением не способны обеспечить должную стабильность температуры, они сложны и имеют высокую стоимость.

В настоящее время в связи с высокой аварийностью централизованных систем отопления и больших теплопотерь в них взамен традиционных систем централизованного водяного отопления ведется поиск новых систем и устройств, основными из которых являются установки радиационного (инфракрасного) обогрева панелями. Сравнения указанных двух систем отопления приводятся в табл. 1.

Равномерность распределения температуры в помещении в горизонтальном и вертикальном направлениях зависит от вида отопительных приборов, теплозащитных свойств наружных ограждений и др. [1]. В зависимости от вида обогревателя тепловой поток рассеивается [2]: в радиаторах - по закону Стефана-Больцмана, в теплых полах - по закону Фурье, в конвекторах - по закону Ньютона-Рихмана (табл. 2).

Сибирский регион - это область с тяжелыми климатическими условиями. Одна из проблем региона -выбор системы отопления для создания комфортных тепловых условий. В настоящее время рынок приборов отопления разнообразен; нужные тепловые условия можно создать с помощью отопительных батарей, электрообогревателей, теплых полов и другими средствам [5]. Ниже проанализированы достоинства и недостатки водяной и инфракрасной систем отопления.

По совокупности характеристик (материалоемкости, экономическим затратам и эстетическим соображениям) электрообогреватели предпочтительны. В отличие от традиционных конвекторов, они не используют воздух в качестве теплоносителя. Инфракрасное излучение почти беспрепятственно проходит сквозь воздух, преобразуясь в тепло при поглощении ограждающими конструкциями, полом, мебелью, которые, в свою очередь, отдают воздуху вторичное тепло. В этом случае наиболее комфортный тепловой режим сохраняется на уровне человеческого роста, что позволяет исключить нагрев бесполезного с энергетической точки зрения пространства под потолком. В результате необходимая тепловая мощность по сравнению с традиционными системами отопления снижается на ДQ>30%. Помимо этого, обогреватели (данного типа)

пожаробезопасны, экологически безвредны, бесшумны, не выделяют запаха, не уменьшают содержание кислорода в воздухе, просты в эксплуатации. Они часто используются на Западе и постепенно внедряются в наш обиход.

Таблица 1

Сравнительная оценка систем отопления в помещении $1=28 м2

Показатель Система отопления (приборы, параметры)

Водяное отопление (радиаторы чугунные МС-140; Сі=150 руб.; s=0,31 экм) Инфракрасный обогрев (электрообогреватели ЭРГНА 0,3 (0,5;0,7); С1=1829 руб.; S2=0,28 м2)

Удельная мощность, Вт/м2 320 =1032 0,31 300 =1071 0,28

Материалоемкость, кг/гВт 55(1 помещения=6м) 59(1 помещения=10м) 0,8-1,0(ИК-настенные) 0,7-1,0-1,7(ИК-потолочные)

Срок службы, лет 20-30 (при промывке больше) Более 20 (предположительно)

Стоимость, руб/Вт/м2 300 =0,29 1032 1829 . _ = 1,7 1071

Общие затраты, руб/м2'месяц 20 (на основе реальных счетов на оплату) 6,36 (на основе проспекта «Теплофон»[3])

Неравномерность теплового поля Конвективные потоки вдоль внешней стены Заметная, требуются специальные меры по снижению

Г игиеническая (эстетическая) оценка Пригорает поступившая с конвективными потоками пыль (в целом отрицательная) Возможен перегрев отдельных частей тела (положительная, реже нейтральная)

Таблица 2

Виды теплопередачи (а - коэффициент теплопередачи; F - площадь поверхности)

Теплопередача

Радиационная по Стефану-Больцману Конвективная по Ньютону-Рихману Кондуктивная по Фурье

Q=a*(T14-T24)*F, где а =£12*ст; о =5,67*10-8 Вт/(м2*К4) постоянная Стефана -Больцмана; £12 - приведенная степень черноты поверхностей по Христиан-сену: £п = (— + 1) \ £х £г где 71, Т2 - температура излучателя и приемника Q= а«™ *^^)*Г, где Td - температура поверхности; Тз - температура среды. Среднее значение асспу определяется согласно закону Ньютона-Рихмана; 0 а а = -^-— = -^~ АТ ■ ^ АТ Qcond=а*(ДT/L)*F, где ДТ - разность температур; L - толщина стенки. Количество переносимой энергии пропорционально градиенту температуры. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной

На рис. 1 дана зависимость излучаемой мощности от температуры для чугунной батареи МС-140 с площадью [3] 0,31 экм (эквивалентные квадратные метры). При различных температурах на входе и постоянной температуре окружающего пространства (Т=20°С) рассчитывается доля энергии, излучаемой чугунной батарей. Во втором случае анализируется мощность, излучаемая ЭРГНА (рис. 2).

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О

Рис. 1. Зависимость доли излучаемой мощности Рис. 2. Зависимость мощности, излучаемой от температуры для чугунной батареи МС-140 ЭРГНА-500, от температуры

Рассмотрим подробно изображения, представленные на рис. 1-2.

На рисунке 1 показаны:

• отношение излучения батареи МС-140 (по закону Стефана-Больцмана);

мощность излучателя:

6 = Лж(т4-ф, (1)

где А - площадь одной секции, экм;

е - интегральный коэффициент излучения к полной теплоотдаче;

Qтеп=160 Вт [5]; (2)

• квадратичная аппроксимация линии Qизл/Qтепл;

• то как до Т=350К чугунная батарея МС-140 работает, как конвектор, и только при Т>350К над конвективными потоками начинают преобладать инфракрасные. Таким образом, название «радиаторные

батареи» ошибочно, так как излучение у них обычно менее 50%.

На рисунке 2 показаны:

• зависимость от температуры мощности Р, излучаемой по закону Стефана-Больцмана, для источника Р = 500 Вт при площади фронтальной проекции 3 = 0,28 м2;

• области С\Д - характерные температуры наружной поверхности ОП\ЭН;

• область А (Т<354 К), где преобладают конвективные потоки и потери за счет теплопроводности (так, при Т<80°С ЭН работает преимущественно как конвектор);

• область В (Т>354 К), где инфракрасные потоки преобладают над конвективными.

Анализ рисунков 1-2 позволяет сделать выводы о более высоких энергетических показателях инфракрасных излучающих панелей по сравнению с конвекторами водяного отопления. Из этого следует, что применение систем индивидуального лучистого электрического отопления радиационными (ИК) панелями, снабженными наиболее простыми регулирующими установками, позволит:

• упростить систему теплоснабжения;

• значительно снизить расход энергетических ресурсов за счет исключения потерь сетевых;

• повысить качество и тепловой комфорт помещения.

Исследование рынка продаж электроотопительных приборов в России показывает, что в настоящее время сюда поставляется и реализуется масса зарубежных электроотопительных приборов в основном конвективного действия.

Фирма «Cooker» [4] поставляет обогреватели Calidon 1500, состоящие из двух независимых источников тепла: лицевой инфракрасной излучающей пластины и внутреннего радиатора Fonte Active, обладающего значительной тепловой инерцией. Система имеет интеллектуальное управление ISN и электронный цифровой термостат [5].

Фирма «Atlantic» предлагает стационарные электроконвекторы THS мощностью до 5 кВт. Фирма STIEBEL ELTRON - настенные конвекторы CNS50-250, CK320S и ETS-E electronic. Фирмы AIRELEC, SUPRA представляют так называемые электротепловентиляторы, сочетающие нагревательные приборы с вентиляторами. Электрическая мощность этих установок 750, 1800, 2400 и 3500 Вт с температурой греющих поверхностей от 80 до 100°C.

На рынке России широко представлены также итальянские фирмы LAMINOX, поставляющие маслонаполненные радиаторы серии «Dragon» мощностью 1,5 и 3 кВт.

Американские нагреватели HONEYWELL и DURACRAFT обеспечивают обогрев помещений объемом от 20 до 60 м3.

Все перечисленные устройства содержат сложные теплорегулирующие устройства и по своим конструктивным особенностям не пригодны для обогрева животноводческих помещений.

Российская промышленность освоила выпуск всех типов электронагревателей, среди которых можно отметить конвекторы производства завода «Пластмасс», излучающие панели ООО «Экситон НЭП» [5] и др.

Эти нагревательные устройства, в силу большой (до 9 кВт) мощности, не пригодны для обогрева сельских жилых домов, а также животноводческих помещений.

На рис. 3 приведена карта позиционирования рынка настенных обогревателей, откуда видно, что красноярские инфракрасные обогреватели «Теплофон» занимают стабильное место по продажам.

Те пл о фо н

ЫоЬо

1000

2000

Макар ТОР

II

AIR C^mfcrt

ЭИМТ

ЗООО

4000

Noirot

>60 ю

Красмехналадка, Термия Baliu, Noirot, Ecoflex Делсот Thermor

Рис. 3. Карта позиционирования рынка настенных обогревателей (мощность 0,7-1 кВт)

Как показали предварительные исследования, обогреватели ЭРГ обладают повышенной радиационной способностью. Это обусловлено тем, что большую часть теплового потока нагревателя составляет лучистое тепло, создающее эффект обогрева русской печью. При сравнительно невысокой температуре греющие поверхности обогревателей не создают сильных конвективных потоков воздуха, сходных со сквозняками и способствующих накоплению бытовой пыли. Мягкое лучистое низкотемпературное тепло дает приятное ощущение комфорта. Поэтому обогреватели следует устанавливать в открытых местах помещения, не загораживать их предметами быта и обихода. Для организации рационального обогрева помещения целе-

сообразно обогреватели ЭРГНТ-0,3/220 (п) размещать равномерно по всему помещению. Обогреватели ЭРГНТ-0,7/220 (п) создают более высокий конвективный воздухообмен, поэтому размещать их следует под оконными проемами для нагрева ниспадающих холодных потоков воздуха или у входов в помещения.

Электро- и пожарная безопасность обогревателей обеспечивается усиленной электроизоляцией и наличием термовыключателя.

Обогреватели рассчитаны на номинальное напряжение переменного тока 220в, частотой 50 Гц. Температура теплоотдающей поверхности (при ЬФ. = +20°С) - Поверх = (85±5) °С. Время разогрева поверхности до рабочей температуры - ?мин. = 20 мин. Класс защиты от поражения электрическим током - II. Степень защиты по ГОСТ 14254-96 (МЭК 529-89) - 1Р44. Режим работы - продолжительный. Условия эксплуатации -без надзора. Другие технические характеристики источников лучистого тепла приведены в табл. 3. Немаловажно заметить, что одним из преимуществ обогревателей ЭРГ является их низкая цена, что особенно важно для их применения в сельском хозяйстве.

Таблица 3

Сравнительные показатели ЭРГ 0,3 и ЭРГ 0,7

Показатель Тип обогревателя

ЭРГНТ-0,3/220 (п) ЭРГНТ-0,7/220 (п)

Номинальная мощность 300 700

Площадь теплоотдающей поверхности, м2 0,56 1,00

Габаритные размеры, мм 700x400x50 700x400x50

Масса, кг 3,3 5,0

Материалоемкость, Вт/кг 90 140

Энергонасыщенность, Вт/м2 300/0,56=536 700/1=700

Ценовая характеристика, руб/Вт 480/360=1,6* 720/700=1,03*

* Распространенное мнение о предпочтительности выбора нагревателей меньшей мощности справедливо только в отношении оплаты за ЭЭ.

Анализ энергетических и эксплуатационных характеристик обогревателей ЭРГ показывает, что они по всем показателям (электробезопасность, конструкция) вполне пригодны для установки, как в домах сельского типа, так и в животноводческих помещениях.

Широкое внедрение источников инфракрасного излучения выдвигает необходимость проведения ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

1) в области биологии по выявлению действия ИК-излучения на животных и людей с разработкой нормативной документации по использованию ИК-излучения, внесением коррекции в существующие нормы, которые уже устарели;

2) в области техники и технологии по проведению анализа современного состояния с применением установок лучистого обогрева для создания теплового комфорта в жилых и животноводческих помещениях АПК с учетом: разработки новых систем лучистого обогрева специально для производственных зданий АПК; разработки моделей и методов расчета электротехнологического обогрева жилых домов и технологических помещений;

3) в области экономики по разработке методик определения экономической эффективности использования систем лучистого отопления в различных отраслях АПК.

В настоящее время по предварительным оценкам количество потребных обогревателей мощности

0,5-1 кВт составляет около 20 тыс. шт.

Литература

1. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика. Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: учеб. для вузов / В.Н. Богословский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1982. - 415 с.

2. Исаченко, В.П. Теплопередача: учеб. пособие / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1981.

3. Лапицкий, А.Г. Инфракрасные электрообогреватели «Теплофон» / А.Г. Лапицкий. - Красноярск, 2004.

4. Сканави, А.Н. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий / А.Н. Скана-ви. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1983. - 304 с.

5. О создании систем лучистого и лучисто-конвекторного теплообмена в жилых помещениях / А.В. Бастрон, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий [и др.] // Энергетика и энергосбережение. - Красноярск, 2003. - С. 48-53.

6. http://www.coocer.ru/spaceheater/detalie/

7. http://www.elektrik-house.ru