Направленный инфракрасный обогрев
Направленный инфракрасный обогрев – это наиболее эффективный способ отопления локальных рабочих мест и производственных зон в открытых помещениях, навесах и площадках, в полуоткрытых помещениях, например, с постоянно открытыми транспортными проемами, в закрытых трудноотапливаемых помещениях, имеющих, например, постоянно действующую приточно-вытяжную вентиляцию и т.п.
Целью настоящих исследований является разработка метода расчета систем локального направленного инфракрасного обогрева с применением инфракрасных обогревателей серий НОМАКОН ЭИУС-100/200 [1-2] (см. рисунок 1), соответствующих требованиям существующих нормативных документов, регламентирующих показатели микроклимата производственных помещений, оборудованных системами лучистого отопления (СЛО) [3-5].
Особенности воздействия системами лучистого отопления (СЛО)
Особенности микроклимата при воздействии СЛО заключаются в том, что человек чувствует себя хорошо, если выделение тепла его телом и потери тепла телом в окружающее пространство находятся в равновесии. Тепловой баланс нарушается, если при низких температурах окружающей среды количество отдаваемого тепла становится больше количества тепла, образующегося в человеческом теле. Возникающая при этом разность количества тепла, которая, например, при температуре окружающего воздуха плюс 10 °С может достигать до 150 Вт с м2 человеческого тела, должна быть сообщена человеку дополнительно направленным инфракрасным обогревом.
В стандартных тестах [6] для оценки тепловых потерь тела человека тепловым излучением принимают температуру поверхности тела (кожи) Tip1 = 32 °C и коэффициент излучения (степень черноты) кожи человека εip1 = 0,95. Если принять температуру окружающих стен и потолка (источники фонового излучения на человека) в пределах Tos1 = 0-16 °C при степени черноты εos1 = 0,92 (штукатурка, кирпичная кладка, обои), то расчетные тепловые потери излучением голого тела (как результирующая истинного излучения тела и излучения фоновых источников) согласно уравнению Кирхгофа составит, Вт/м2:
где
— приведенная степень черноты системы «кожа человека – окружающий фон»,
— постоянная уравнения Стефана-Больцмана, Tip1 и Tos1 выражены в градусах Кельвина.
С учетом особенностей облучения одетого человека на основании сопоставления энергии излучения тела по формуле (1) и предельного теплового облучения из нормативных документов, приведенных в таблице 1, возможно принять граничные значения удельных мощностей теплового облучения для диапазона эффективного обогрева от E1max до E1min при различной температуре окружающей среды Tos1:
Микроклимат производственных помещений оборудованных СЛО
Таблица 1. Показатели микроклимата производственных помещений, оборудованных СЛО
| Температура воздуха, окружающей среды °С | СанПиН 9-80 РБ 98 [3] ГОСТ 12.1.005-88 [5] Интенсивность теплового облучения, Вт/м2, не более, при облучаемой поверхности тела 50% и более | СП 2.2.1.1312-03 [4] | ISO 7726:1998 [6], формула (1) , Вт/м2 | |
|---|---|---|---|---|
| Интенсивность теплового облучения головы, Вт/м2, не более | Интенсивность теплового облучения туловища, Вт/м2, не более | |||
| 0 | — | — | — | 153 |
| 5 | — | — | — | 132 |
| 10 | — | — | — | 110 |
| 11 | — | 60 | 150 | 106 |
| 12 | 35 | 60 | 125 | 101 |
| 13 | 60 | 100 | 97 | |
| 14 | 45 | 75 | 92 | |
| 15 | 30 | 50 | 87 | |
| 16 | 15 | 25 | 83 | |
| 20 | — | — | 63 | |
| 25 | — | — | — | 38 |
Данные нормативных документов приведены на период 8-часовой рабочей смены применительно к человеку, одетому в комплект одежды с теплоизоляцией (термическим сопротивлением)  (спецодежда от общих загрязнений) и выполняющему работу средней тяжести (категория IIа — IIб). |
||||
Таким образом, в зависимости от температуры окружающей среды, электрической мощности и конструкции обогревателя, а также от расстояния по нормали от поверхности излучения до объекта обогрева (см. раздел «Характеристики инфракрасного излучения – инженерные приложения»), возможно выделить три зоны лучистого обогрева в помещении, оборудованном СЛО: зону повышенной интенсивности теплового облучения при E1 > E1max, зону эффективного обогрева при E1min ≤ E1 ≤ E1max, а также зону комфортного, но недостаточного обогрева при E1 < E1min.
Следует отметить, что приведенное выше деление на зоны (см. рисунок 2), рассчитанные по формулам (2-3) с учетом выражения (1), необходимо для последующих расчетов при первом включении обогревателя, а также при выходе СЛО на заданный режим поддержания температуры в помещении. С ростом температуры в помещении границы зон E1max до E1min будут смещаться в сторону меньших значений E1 и важно расположить объекты обогрева (работников, оборудование и т.п.) в помещении таким образом, чтобы они постоянно находились в зоне эффективного обогрева, или в зоне комфортного обогрева недалеко от границы раздела зон.
Для расчета распределения зон обогрева при применении СЛО на базе электрообогревателей ЭИУС-211 воспользуемся данными таблицы 2. Принимаем начальную температуру в помещении Tos1 = 10°C, температуру в помещении после разогрева (при термостабилизации) Tos2 = 18°C и по формуле (1) рассчитываем значения предельной интенсивности теплового облучения Eip1 = 111,4 Вт/м², Eip2 = 73,8 Вт/м² По формулам (2) и (3) рассчитываем граничные значения зон облучения: E1max = 66,5 Вт/м², E1min = 20,7 Вт/м² для периода начального разогрева, E2max = 38,6 Вт/м², E2min = 12,7 Вт/м² — для периода термической стабилизации.
Технические характеристики
Таблица 2. Технические характеристики ИК-электрообогревателей ЭИУС-211
| Наименование показателя | Электрическая мощность излучателя ИКН-101 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 250 | 400 | 500 | 650 | 1000 | |
| Размеры излучателя в плане, расчетная площадь и коэффициент излучения (степень черноты) поверхности излучения | 245х60 мм, Fiz1 = 170,9 см², ε1 = 0.96 | ||||
| Размеры рефлектора-отражателя в плане, приведенные размеры центральной элементарной поверхности излучения и приведенный радиус поверхности излучения | Lot1 = 250 мм, Bot1 = 100 мм L1 = 100 мм, B1 = 100 мм, R1 =  = 56,42 мм |
||||
| Принятый объемный угол раскрытия лучевого потока на выходе из отражателя | α1 = 68-72° | ||||
| Температура излучающей поверхности | 400 | 490 | 540 | 600 | 720 |
| Коэффициент эмиссии электрической энергии в энергию направленного ИК-излучения (лучевой к.п.д.) при размещении отражателя под углом 27-30° вниз по отношению к горизонтали, степени черноты фона и температуре окружающей среды (осредненный) | 69,7 | 73,0 | 79,5 | 81,3 | 84,9 |
Расчет распределения удельной мощности облучения по нормали к излучающей поверхности электрообогревателя En1, Вт/м² производим по зависимости
де
– удельная мощность излучения, приведенная к площади рефлектора-отражателя, Вт/м², Ln1 – текущее значение расстояния от поверхности излучения, м. В вычислениях по формуле (4) принято значение объемного угла раскрытия лучевого потока на выходе из рефлектора-отражателя α1=70°.
На рисунке3 представлен полученный график распределения удельной мощности излучения по нормали к излучающей поверхности. Точками отмечены полученные граничные расстояния зон обогрева: L1max = 1,35 м, L1min = 2,5 м, для периода начального разогрева, L2max = 1,8 м, L2min = 3,2 м, для периода термической стабилизации.
На рисунке 4 с соблюдением масштаба представлены диаграммы обогрева помещения длиной 4 м с высотой потолков 2.5 м, которое оборудовано СЛО в виде ЭИУС-211, размещенного на стене на высоте 1.8 м с направлением рефлектора-отражателя по диагонали помещения под углом 27-30° вниз по отношению к горизонтали. Выделенное объемное расположение зон обогрева на диаграммах с возможностью изменения расположения электрообогревателя и направления лучевого потока позволяет найти оптимальный вариант размещения СЛО и объектов обогрева.
Следует отметить, что приведенные выше расчеты и на их основе зонирование помещения по режимам обогрева справедливы при лучистом облучении 50% и более тела человека. Оптимальное построение СЛО в данном случае определяет наличие двух и более обогревателей, расположенных диаметрально во всем помещении или в выделенной зоне обогрева. С целью снижения размеров зоны повышенной интенсивности облучения при достижении термической стабилизации электрообогреватель должен быть снабжен ступенчатым переключателем мощности обогрева.
Разработанная методика позволяет оценить интенсивность облучения, например, как на уровне пола, так и на уровне головы человека по мере приближения к обогревателю. Очевидно, что установка инфракрасных обогревателей на потолке с подачей излучения сверху вниз для помещений с потолками высотой 2,5-4 м всегда будет создавать интенсивность облучения головы человека намного выше, чем остального тела. При этом голова, как правило, будет находиться в зоне повышенной интенсивности облучения, что не позволяет выдержать действующие нормативы облучения и резко повышает непереносимость лучистого обогрева работниками.
Литература:
1. Рабко А.Е. Инфракрасные керамические излучатели и электрообогреватели НОМАКОНтм/ А.Е. Рабко и др. // Электроника инфо. — 2011. — №5. — С.26-29.
2. Рабко А.Е. Отопление помещений инфракрасными электрообогревателями НОМАКОНтм / А.Е. Рабко и др. // Электроника инфо. — 2013. — №9. — С.45-48.
3. СанПиН 9-80 РБ 98. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
4. СП 2.2.1.1312-03. Гигиенические требования к проектированию вновь строящихся и реконструируемых промышленных предприятий. Приложение 2.
5. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
6. ISO 7726:1998. Ergonomics of the thermal environment. Instruments for measuring physical quantities.
Русский 
English