ОСОБЕННОСТИ ОТОПЛЕНИЯ ГОРЕЛКАМИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ НИХ ТРЕБОВАНИЯ
За последнее десятилетие значительное распространение получили системы лучистого отопления с использованием газовых горелок инфракрасного излучения. В Советском Союзе все шире находят применение газовые горелки инфракрасного излучения (ГИИ) для отопления зданий легкого типа и больших объемов, а также открытых площадок (кафе, закусочные и производственные цехи).
Суть лучистого отопления состоит в том, что излучение в области инфракрасного спектра, попадая на тело человека, поглощается им и, преобразуясь в тепловую энергию, нагревает его. При этом окружающий воздух почти не нагревается.
Для лучшего понимания действия лучистого отопления на организм человека необходимо ознакомиться с особенностями тепловых ощущений человека и био-физиологических восприятий им инфракрасного излучения.
Известно, что в результате жизнедеятельности человек непрерывно вырабатывает тепловую энергию, часть которой (около 20%) используется на полезную работу организма, а другая часть, около 80%, удаляется в окружающую среду.
Считается, что взрослый человек в спокойном состоянии вырабатывает в 1 ч 108—125 ккал тепла. При усиленной физической работе тепловыделения человека возрастают свыше 450 ккал/ч.
Отдача человеком тепла в окружающую среду при нормальных условиях и конвективном отоплении составляет: 25% (конвекцией); 50% (излучением); 22% (испарением) и 3% (дыханием и движением).
Таким образом, теплопотери лучеиспусканием в этом случае составляют половину всех теплопотерь человека и в 2 раза превышают теплопотери конвекцией.
До недавнего времени считалось, что тепловые ощущения человека зависят только от так называемого теплового баланса его тепла, т. е. от того, сколько тепла человеческое тело отдает в окружающую среду. При этом не принималось во внимание, каким образом отдается это тепло и каково соотношение температур воздуха и ограждающих конструкций или предметов, непосредственно окружающих человека.
Поскольку основным видом отопления до недавнего времени было конвективное, то и проводившиеся исследования по определению комфортных условий для человека подтверждали, что нормальное тепловое ощущение человек испытывает при некотором интервале температур окружающего воздуха. Например, для человека, не выполняющего физическую работу, таким интервалом температур окружающего воздуха принято считать 18—52°.
При снижении или повышении этих температурных пределов человек испытывает неприятные тепловые ощущения (в первом случае он зябнет, во втором — ему жарко).
В соответствии с этими условиями и были установлены нормы оптимальной температуры воздуха внутри жилых и общественных помещений.
С применением лучистого отопления возникло немало трудностей в обеспечении комфортных условий для людей, находящихся в помещениях, обогреваемых этим отоплением. Наблюдались случаи, когда, казалось бы, при одинаковых условиях обогрева помещений лучистым отоплением одни люди жаловались на холод, другие — на жару. Многочисленные исследования показали, что для человека не безразлично, каким способом ему передается или отводится от него тепло. Тай, например, оказалось, что при лучистом обогреве общие теплопотери человека несколько снижаются в сравнении с теплопотерями при конгективном отоплении. Вместе с тем при изменении способа обогрева изменяется и доля теплопотерь лучеиспусканием и конвекцией (табл. 37).
Из приведенных данных видно, что при лучистом отоплении наибольшая часть теплопотерь осуществляется конвекцией, а при конвективном, наоборот, излучением. Таким образом, при лучистом отоплении тепловые ощущения человека будут более благоприятными, чем при конвективном.
Исследованиями было установлено, что для достижения комфорта при лучистом или конвективном отоплении необходимо обеспечить определенное соотношение температур внутреннего воздуха и ограждающих конструкций помещения (рис. 131).
Из рисунка видно, что при лучистом отоплении допустимая разница между температурой внутреннего воздуха и ограждающих конструкций может быть значительно большей, чем при конвективном. Это значит, что при лучистом отоплении комфортные условия могут быть обеспечены при более низких температурах внутреннего воздуха, чем при конвективном отоплении при тех же температурах ограждающих конструкций.
Исследования многих гигиенистов и сантехников показывают, что работоспособность человека значительно выше при вдыхании им воздуха с более (относительно) низкой температурой при одинаковых тепловых ощущениях. Так, например, Берфорд, Крепко и Джилквин пришли к выводу, что при нормальных комнатных условиях целесообразно, чтобы человек дышал воздухом с температурой лишь несколько выше 10° С, ибо это облегчает экзотермические реакции. Исследования советских гигиенистов также показали положительное влияние на терморегуляцию и самочувствие человека при вдыхании им воздуха сравнительно низкой температуры.
Проведенные И. М. Эрманом опыты показали, что при вдыхании горячего (50—60° С) воздуха в условиях нахождения человека в помещении с внутренней температурой 18° С происходит повышение температуры кожи лба, груди и спины и понижение ее на конечностях. При длительном вдыхании горячего воздуха повышалась в 2—5 раз активность угольной ангидразы.
Исследования, проведенные институтом Мосгазпроект, также показали, что при обогреве помещений горелками инфракрасного излучения наилучшее самочувствие людей бывает при температуре воздуха 13—13,5° С, т. е. ниже общепринятой 18—19° С.
Весьма существенным фактором в теплоощущениях человека является уровень его физической деятельности. Тепловыделения с увеличением физической нагрузки могут повыситься с 100 до 450 ккал/ч и более. Эти избытки тепловыделений должны быть погашены за счет передачи их окружающей среде: путем конвекции окружающему воздуху и лучеиспусканием на ограждающие конструкции или окружающие предметы. Наилучшим в этом случае является преобладание теплопотерь за счет конвекции.
При лучистом отоплении как раз доля теплопотерь конвекцией и увеличивается. Это достигается, по-видимому, как за счёт повышения температуры кожи, так и за счет увеличения скорости движения воздуха в непосредственной близости от тела человека.
Лучистое отопление требует от терморегулирующего аппарата человека меньших усилий для приспособляемости.
На рис. 132 кривой 1 представлены общие теплопотери нормально одетым человеком (включая и испарение) в зависимости от температуры окружающей среды в условиях самоприспособляемости; кривой 2 — потери тепла человека при лучистом отоплении, а кривой 3—те же потери, но при конвективном отоплении. Из рисунка видно, что кривая 2 ближе к кривой 1, т. е, условия теплопотерь при лучистом отоплении более легкие (ближе к автотерморегуляции), чем при конвективном.
На рис. 133 показано распределение между излучением и конвекцией тепла, теряемого человеком при его поверхностной
Рис. 133. Распределение полного тепла между излучением и конвекцией, теряемого телом человека при его поверхностной температуре 24,5°С температуре (одежды) 245° С в условиях разных температур окружающей среды.
Из рисунка видно, что если человек теряет 80 ккал/ч, то для комфортных условий его существования при лучистом отоплении необходимо поддерживать температуру внутреннего воздуха 19° С, а при конвективном —20,7° С. Из этого следует, что в данном случае будет уменьшена потеря тепла телом человека за счет конвекции, что с точки зрения физиологии считается ненормальным явлением.
При обычной температуре помещений 15—20° С можно считать, что теплопотери влаговыделением не имеют большого значения, так как они составляют незначительную величину (около 20 ккал/ч) и при этой температуре остаются почти постоянными. Леконт даже считает, что влаговыделение имеет значение лишь после достижения окружающей средой температуры в 30°, поскольку резкое возрастание влаговыделения наступает только после этой температуры.
Следующим фактором, влияющим на комфортные условия человека, является постоянство температуры окружающего воздуха по высоте помещения. По существующим нормам максимально допустимая разница в температурах воздуха по высоте помещения (от пола до потолка) не должна превышать 3,5°.
В ясный летний день (в полдень) на 40° северной широты полная энергия солнечного излучения составляет примерно 920 ккал/м2 • ч, из которой около 52,4% приходится на инфракрасные излучения, т. е. 481 ккал/м2 • ч. Однако, учитывая, что значительную часть этой энергии (более 2/з) составляет коротковолновое излучение (Я= 1,7-1,1 мк), которое сравнительно еще хорошо отражается кожей человека, а поглощается более глубокими тканями, не нагревая их сильно, то: во-первых, доза облучения значительно сократится; во-вторых, кожа сильно не перегреется и, следовательно, человек не ощутит чрезмерного нагрева, как это было бы при облучении его той же дозой лучистой энергии, но от нагретого предмета с температурой несколько ниже 1200° С. Здесь следует учитывать еще и положительное влияние потоков наружного воздуха (ветра), которое имеется на улице в солнечный день.
Конечно, этот пример мы привели лишь для сравнения, ибо для жителя более северных широт такое облучение может быть и невыносимым. Проф. Н. Н. Калитин отмечает, что при одном и том же напряжении падающей лучистой энергии солнечные лучи дают ощущение меньшего тепла, чем лучи, испускаемые угольными лампами или другими низкотемпературными источниками излучения при приблизительно равных прочих условиях.
Хилл, кроме того, указывает, что лучи с длиной волны больше 2—3 мк вызывают стеснение дыхания и явления плохого самочувствия. В связи с этим Леконт даже рекомендует для излучателей с электроспиралями применять фильтры, поглощающие лучи с этими длинами волн.
Борхерт и Юбиц приводят следующие рекомендации Хеншке по допустимой плотности (дозе) облучения при излучении с различной спектральной характеристикой (табл. 40).
Здесь интересно сравнить все приведенные данные по спектральному воздействию на организм человека лучистой энергии с данными по спектральным характеристикам, применяемых газовых горелок инфракрасного излучения (см. рис. 22, 23, 24).
Горелки с керамическими насадками типа Гипрониигаз имеют максимум излучения в интервале 2—2,15, а с керамико-металлическим—1,5—2 мк, т. е. в интервале практического поглощения кожей человека тепловых лучей (максимальный нагрев)
Однако при обогреве помещений такими горелками может возникнуть превышение допустимой дозы облучения, что отрицательно скажется на самочувствии находящихся в помещении людей.
Реакция кожи на облучение не одинакова для различных участков тела человека, поэтому и температура этих участков не одинакова.
М. Е. Маршак, например, установил, что даже на двух участках кожи, лежащих рядом, температура их различна. Если (в его опытах) на щеке температура была равна 34,55° С, то на лбу она составляла 34,8° С; если на лопатке температура была 33,3° С, то на спине (несколько ниже лопатки) —34,7° С и т. д. Выявлена общая тенденция к снижению температуры по направлению от головы к ногам в пределах от 34,8 (на лбу) до 31,5°С (на ступне)—29°С (на подошве). На уровне головы была наивысшая температура. И хотя Маршак не указывает, при каком виде обогрева (отопления) он проводил свои эксперименты (надо полагать, что при конвективном), все же это подтверждает мнение, что голова человека наиболее чувствительна к облучению, особенно при расположении излучающих устройств в верхней части помещения, и совпадает с нашими выводами, основанными на результатах проведенных исследований.
Одновременно с этим Маршак считает неправильными рекомендации некоторых авторов измерять температуру кожи на лбу, щеке, между пальцами руки или на груди, так как кожа щеки, лба и кистей рук имеет нестабильную температуру.
Маршак считает, что для выявления степени комфортности следует производить замеры температуры кожи не на открытых, а на покрытых одеждой частях тела. Он рекомендует измерять температуру кожи на туловище (на передней поверхности груди) исходя из того, что грудь и спина сравнительно с другими частями тела имеют наибольшую поверхность и, следовательно, являются главным источником теплопотери с поверхности тела.
На наш взгляд, это наиболее правильная с физиологической точки зрения методика определения комфортных условий для человека. Жизненный опыт показывает, что при обогреве туловища, особенно спины и ног, человек хорошо себя чувствует даже при относительно низких температурах воздуха. Поэтому при выполнении отопления помещения важно обеспечить минимальную разницу между температурой окружающей среды на уровне головы и температурой на уровне ступни или аналогично между температурой тела человека в верхней части (голова, туловище) и на нижних конечностях. Миссенар, например, считает разницу между результирующей температурой на уровне головы и ступни для людей, находящихся как в сидячем, так и в стоячем положении, критерием в определении комфорта.
Рассматривая физиологическое действие инфракрасного излучения на человека, необходимо отметить действие инфракрасного излучения на органы зрения человека. .
Для органов зрения инфракрасные лучи, особенно в интервале волн длиной 0,7—15 мк, представляют опасность. Продолжительное и достаточно сильное действие инфракрасного излучения может привести к серьезному повреждению глаз, вследствие того что они не имеют природной защиты от этого излучения. Исследования Ленгранда показали, что излучения с длиной волны 1—1,9 мк особенно сильно нагревают хрусталик и водянистую часть глаза. Это вызывает ряд заболеваний и прежде всего так называемую светобоязнь, т. е. чрезвычайно высокую чувствительность глаз к свету, с болезненным ощущением.
Поэтому люди, профессия которых связана с длительным наблюдением за излучающей поверхностью горелок инфракрасного излучения, например при термической обработке материалов, деталей, изделий и т.д., должны пользоваться очками с соответствующими фильтрами, а при необходимости длительного нахождения вблизи горелок — защитными экранами из полированного алюминия.
