+38 (057) 752 72 79 +38 (057) 755 04 91 +38 (067) 421 46 86 г. Харьков, ул. Автострадная Наб., 21А
Главная / Статьи и Новости / Немного теории инфракрасного отопления

Немного теории инфракрасного отопления

Что такое отопление?

Для человека, отопление - это обеспечение ощущения тепла, которое основывается на комплексном влиянии различных свойств окружающей среды, а также способ повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции на производстве.

Для зданий, сооружений и оборудования, отопление - это способ увеличить их сроки службы, обеспечить технологические требования эксплуатации и хранения.

Теплоотдача с поверхности тела человека происходит конвекцией, излучением и испарением пота. Соотношение трех способов теплоотдачи человека в помещении при нормальных условиях (температура 20 °C) обычно следующее:

- конвекция (потоки воздуха) 30-35%;

- излучение (электромагнитные волны) 45-50%;

- испарение 20-25%.

Как видно, среди доминирующих факторов, влияющих на восприятие температуры, главным является излучение. Теплопотери излучением имеют место, когда окружающая среда, в основном это касается ограждающих конструкций здания, имеет температуру ниже, чем поверхность тела человека. Таким образом, если увеличить среднюю температуру окружающих предметов и плоскостей здания (например, за счет облучения), то теплопотери человеческого тела излучением уменьшаются, и без увеличения температуры воздуха появляется ощущение тепла.

Один из эффектов отопления достигается тем, что температура воздуха, а значит и теплопотери объекта не меняются, в то время, как по ощущению пребывающего в рабочей зоне человека, температура окружающей среды увеличилась. При отоплении с использованием излучения температура, ощущаемая человеком, называется результирующей температурой и измеряется специальным датчиком, а значение температуры, измеренное с помощью термометра, называется температурой воздуха. Разность этих двух значений температур определяет увеличение ощущения тепла за счет лучистого отопления.

Что такое инфракрасное излучение?

Инфракрасное (ИК) излучение - это поперечные электромагнитные волны, занимающие часть спектра между коротковолновым радиоизлучением (1-2 мм) и началом спектра видимого света (с длиной волны 0,74 мкм), красным цветом, именно поэтому эти волны называется ИНФРАкрасными, то есть, находящимися ПОД красными волнами видимого света. Источником инфракрасного излучения является возвращение возбужденного электрона на более низкий энергетический уровень сопровождающееся избавлением его от «лишней» энергии, которую ему придал квант тепловой энергии, полученной в результате химической реакции окисления в процессе сгорания топлива.

Инфракрасное излучение обладает способностью нагревать предметы, на которое оно попадает. Человек не видит эту часть спектра, но прекрасно чувствует тепло. Как известно, любой объект, чья температура больше чем -273°С (абсолютный ноль температуры по шкале Кельвина) излучает, а спектр его излучения определяется только его температурой и свойствами поверхности. Таким образом, нагрев одного тела другим с помощью излучения происходит в том случае, если излучение (или температура) одного тела больше, чем у другого. Получается, что в процессе взаимного облучения одно тело отдаёт энергию (охлаждается), а другое её получает (нагревается).

ИК-излучение имеет две важные характеристики: длину волны (частоту) и интенсивность излучения. В инфракрасном спектре есть 2 области: первая - с длинами волн до 2,4 мкм, что соответствует температурам от 1000°С и выше, влияние которой на организм отрицательно, и вторая - примерно от 7 до 14 мкм, так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона, которая соответствует температурам от 0°С до 200°С, оказывающая на организм человека положительное влияние. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человека с максимумом на длине волны 9,6 мкм (27°С). Поэтому любое внешнее излучение со сходными длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного спектра, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором тепло от внешнего источника будет поглощаться организмом особенно эффективно. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки, что приводит ко многим положительным эффектам для организма.

Как работает инфракрасное отопление?

При увеличении температуры воздуха, падает его плотность. Получается, что непосредственно возле прибора отопления находится воздух с самой низкой плотностью, а значит и самый лёгкий. Повинуясь закону гравитации, неравномерно прогретые слои воздуха начинают движение - более лёгкий воздух стремится вверх, более тяжёлый (холодный) - вниз. Таким образом, начинается вертикальное движение воздуха внутри помещения. Воздух, нагреваемый конвективным прибором отопления, устремляется к потолку и картина изменения его температуры иллюстрируется красным графиком на рисунке 1.

Сравнение конвективного и инфракрасного отопления
Рисунок 1.

Пока не прогреется воздух вверху, внизу, в зоне нахождения людей, теплее не станет. Особенно сильно данное явление проявляется в помещениях с высокими потолками - атриумах, складах, ангарах, супермаркетах, сборочных цехах и др. Получается, что на нагрев подпотолочного пространства при традиционном способе обогрева тратится избыточное количество энергии.

Электромагнитная волна передаётся от излучателя, которым может быть любое тело, нагретое любым способом, к элементам здания и человеку практически прямолинейно с незначительными потерями, к которым приводят отражение и рассеивание тепловой волны, связанное со свойствами внутренних поверхностей здания и запылённостью воздуха. При поглощении предметом, энергия волны преобразуется в тепловую энергию, сам воздух является прозрачной средой для электромагнитных волн и нагревается вторично от нагретых поверхностей элементов здания и предметов в помещении. При этом результирующая температура всегда выше температуры воздуха в объеме помещения, так как часть энергии отапливаемый объект получает не от соприкосновения с воздухом, а посредством излучения, поэтому необходимость перетапливать помещение по высоте отпадает, а процесс, ведущий к этому, практически отсутствует (зелёный график на рисунке 1).

Сравнительная картина распределения тепловой энергии двух систем отопления представлена на рисунке 2.

Сравнение конвективного и инфракрасного отопления
Рисунок 2.

Почему панели инфракрасные?

Водяные потолочные панели ИНФРАПАНЕЛЬ являются самым обыкновенным отопительным прибором из обыкновенного металла, как и любые другие отопительные приборы любых конфигураций и производителей. Тогда что делает их инфракрасными и почему радиаторы, вопреки своему названию, не являются приборами инфракрасного отопления? Инфракрасный прибор или нет решается довольно просто - исходя из определения - если бОльшая часть отдаваемого прибором тепла переносится посредством электромагнитных колебаний, тепловых волн, тогда прибор инфракрасный, если прибор греет воздух и бОльшую часть тепловой энергии передаёт с помощью небольших объёмов нагретого воздуха, тогда такой прибор конвектор, если объёмы нагреваемого воздуха большие - воздухоотопительный агрегат.

А как понять какое количество энергии передаёт прибор тем или иным способом? Если по поводу воздухоотопительных агрегатов и всяческих тепловых пушек никаких вопросов не возникает, то с радиаторами, конвекторами, регистрами, отопительными панелями, тёплыми полами, стенами и потолками возникает масса вопросов. Какой из этих способов отопления наиболее инфракрасный?

Чтобы разобраться в этом вопросе, вернёмся к способам передачи тепла: теплопроводности (передача тепла внутри твёрдых тел), конвекции (передача тепла в объёмах жидкостей), излучению (передача тепла электромагнитной волной). Так как прибор отопления располагается в воздухе, то теплопроводностью можно пренебречь. Остаётся конвекция и излучение, вот эти два явления и борются между собой в любом отопительном приборе.

Таким образом, общая теплоотдача любого отопительного прибора будет являть собой сумму двух составляющих, конвективной и лучистой:

QΣ=Qконвективное + Qлучистое

Каждая из составляющих зависит от условий протекания процесса, свойств взаимодействующих тел и разницы их температур.

Qконвективное = αF(Tприбора - Твоздуха)
Qлучистое = εσF((Тприбора/100)^4 - (Твоздуха/100)^4)

Значения разниц температур в обоих случаях можно принять примерно одинаковыми для рассматриваемых условий и рабочих температур до 100°С. Остаётся сравнить численное значение коэффициентов α и εσ, описывающих условия протекания процессов. Так как в формуле Стефана-Больцмана, которая описывает передачу тепла излучением, ε - это физическое свойство излучающего тепло тела, которое имеет постоянное численное значение (принимаем ε=0,93 для поверхности, окрашенной порошковой краской), и σ - постоянная Стефана-Больцмана, которая вообще ни от чего не зависит и равна для нашей формы записи формулы 5,67. Из сказанного следует, что тепловой поток излучением в основном зависит от температуры поверхности прибора, в то время, как конвективный тепловой поток больше зависит от условий протекания процесса, то есть от коэффициента α. Таким образом, в тех случаях, когда α<εσ, α<5,27 можно говорить о том, что прибор отопления инфракрасный, то есть часть энергии, передаваемая в лучистом виде больше 50%.

Для стандартных условий работы водяных систем отопления (температура теплоносителя 80°С, температура воздуха 20°С) оценочные коэффициенты конвективной теплоотдачи для различных форм отопительных приборов и процент передачи тепла в лучистом виде следующие:

Прибор отопления α,Вт/м2К   %ИК теплоотдачи 
 Регистр из гладких труб      5,8...7,0 43...47
 Радиатор 9,0...14,0 27...34
 Тёплый пол 4,0...5,0 51...56
 Потолочные панели 2,2...3,0 63...70

Таким образом, водяные потолочные панели, наряду с тёплым полом, являются инфракрасными приборами отопления, однако перед тёплым полом потолочные панели имеют ряд преимуществ:

- часть тепла, передаваемая в лучистом виде на 10-20% больше - потенциал энергосбережения больше

- температура теплоносителя, которую можно подать в прибор практически неограничена, а значит и удельный теплосъём тоже, тогда как тёплый пол ограничен температурой поверхности

- расположение под потолком - площадь приборов не уменьшается за счёт расстановки мебели или технологического оборудования