РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИИ ЛЕГКОГО ТИПА ГОРЕЛКАМИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Современная техника строительства, новые архитектурные решения конструктивных элементов зданий, сооружаемых из сборного железобетона, стекла, легких металлических сплавов и пластиков, требуют более гибкого экономически эффективного решения системы отопления.
Стены из стекла и металла не только придают зданию лег- кость, но и дают много света. Однако при обычном (конвективном) отоплении в холодное время создают дискомфортные условия для людей, пребывающих в этих зданиях.
Стекло и металл, как известно, имеют высокие коэффициенты теплопроводности, что обусловливает сравнительно низкие температуры на их поверхности с внутренней стороны помещений.
Повысить температуру этих поверхностей конвективными системами отопления без значительных затрат топлива невозможно (вследствие низкого коэффициента теплопроводности воздуха). К тому же нагрев конструкций в этом случае связан с нагревом всего объема воздуха в помещениях.
Решение задачи отопления зданий, выполненных из указанных материалов, т. е. создания комфортных условий для людей, находящихся в этих зданиях, значительно облегчается с применением газовых горелок инфракрасного излучения.
В Москве по проектам института Мосгазпроект были осуществлены системы отопления горелками инфракрасного излучения в нескольких-зданиях общественного питания, выполненных в основном из стекла и алюминиевых сплавов. Первым таким зданием было кафе «Спорт» (рис. 150), по типу которого в дальнейшем сооружались многие другие здания того же назначения.
Здание состоит из двух частей: торгового зала с буфетной стойкой и служебного отделения (кухня, мойка, кладовые). Торговый зал имеет площадь 108 м2 (12X9), высоту 3,5 м, объем ~380 м2. Стены служебного отделения выполнены из дырчатого кирпича (толщина 38 см), торгового зала также из дырчатого кирпича в пределах цоколя высотой 60 см над полом и из стекла толщиной около 1,5 см, обрамленного рамой из алюминиевого сплава с уплотнением резиновой прокладкой. Над рамой имеется карниз из железобетона. С фасада торгового зала имеется стеклянная дверь, открывающаяся в обе стороны. Пол бетонный по грунту с облицовкой метлахской плиткой. Перекрытие сборное из железобетонных плит, уложенных по металлическим балкам, с утеплением шлаковатой. Потолок в торговом зале выполнен из рифленых алюминиевых листов. Между перекрытием и потолком имеется зазор в 60 см, образующий общий вытяжной вентиляционный короб. В потолке устроены решетки для вытяжки продуктов сгорания от горелок.
Горелки укреплены на расстоянии около 350 мм (до поперечной оси симметрии) от потолка в виде спаренных бра по трем рядам (рис. 151) так, что от внешнего ряда до наружной стены расстояние составляет 2 м, а между рядами—4 м.
Первоначально было установлено (по проекту) в торговом зале 18 горелок института Мосгазпроект производительностью 4300 ккал/ч каждая, но ввиду сильного облучения буфетчиц, вызывающего жалобы последних на головные боли и порчу продуктов (размягчение масла и пирожных, свертывание сыра и колбасы на бутербродах и т. д.), 4 горелки, расположенные над буфетной стойкой, были сняты.
При составлении проекта был произведен расчет теплолотерь зданием по общепринятой методике для радиаторных систем отопления при трех характерных для Москвы температурах наружного воздуха за отопительный сезон: до —6° С; от —6 до —15° С и от —15 до —26° С. Температура воздуха внутри помещений была принята равной 15° С.
При расчете теплопотерь торгового зала учитывался лучистый теплообмен между излучающей поверхностью горелки и ограждающими конструкциями. После вычисления средних угловых коэффициентов для ограждений, участвующих в теплообмене, определялась средняя (лучистая) температура стеклянных (стеновых) панелей, пола и потолка.
Учитывая возможность максимального использования тепла отходящих газов, к. п. д. горелок принимался равным 98%.
Результаты расчета сведены в табл. 41.
Подача газа осуществляется раздельно на каждый ряд горелок. Пуск газа в горелки происходит после включения электрической спирали — запальника из нихрома, имеющейся на каждой горелке. После накала спирали до ярко-красного цвета вручную включается электропитание на соленоидный клапан, открывающий доступ газа на один ряд горелок.
Методика испытаний системы отопления. Целью испытаний системы отопления было установить соответствие температур внутреннего воздуха и ограждающих конструкций, а также путем замера радиометром определить величину облученности посетителей и обслуживающего персонала кафе «Спорт».
Испытания системы отопления проводились как во время работы кафе, так и после его закрытия. При необходимости в нерабочие часы имитировался вход посетителей в торговый зал путем периодического открытия дверей (при отборе проб внутреннего воздуха для анализа на содержание окиси углерода двери не открывались в течение 1—3 ч).
Для натопа выбрана установившаяся температура внутреннего воздуха 9—11° С. Показания контрольно-измерительных приборов снимались через 20—30 мин до установившегося состояния, когда приток тепла от горелок был равен теплопотерям здания. Снятие замеров велось одновременно-
В задачу испытаний также входило выявление падения температуры воздуха и ограждающих конструкций по времени после выключения горелок.
При установившихся температурах воздуха производился замер доз облучения головы стоящего и сидящего человека в различных местах торгового зала.
Замерялась также степень влажности наружного и внутреннего воздуха по времени, скорость ветра, велись визуальные наблюдения за теплофизическим состоянием ограждающих конструкций, здания (потение, обледенение). Производился опрос посетителей об их тепловых ощущениях.
Измерительные приборы и их расположение в помещении. Поскольку основной интерес представлял торговый зал, то для размещения измерительных приборов в нем были выбраны характерные точки замера (см. рис. 151). Всего было намечено 46 точек.
Повышение температуры пола по сравнению с расчетной и ее более равномерное распределение по площади при угле наклона горелок 75° по сравнению с наклоном под углом 45° объясняется более интенсивным облучением за счет увеличения числа горелок, расположенных у наружных стен.
Распределение температур по поверхности потолка при наклоне горелок под углом 75° показано на рис. 160. Здесь видно, что непосредственно над горелкой температура достигает 100° С, а вблизи нее — 60—75° С, т. е. выше, чем в первом случае. Также повысилась средняя температура потолка (~45°С), что можно объяснить увеличением его облучения задней стороной большого числа горелок и конвективным подогревом продуктами сгорания газа.
Распределение температур при наклоне горелок под углом 45° отличается лишь некоторым снижением температуры потолка над горелками.
Распределение температур внутреннего воздуха по торговому залу представлено на рис. 162. Средняя температура по залу составила 15—15,5° С. В центральной части зала она равнялась 13—13,5° С. Разница в температурах по высоте в пределах роста человека не превышала 2°. Из сравнения с рис. 158 можно видеть, что температура воздуха несколько снизилась, однако опрос посетителей показал, что большинство их чувствовали себя хорошо. Имелись лишь отдельные жалобы посетителей, сидящих без пальто спиной к наружным стенам на расстоянии 0,6—0,8 м и поблизости к двери. В первом случае имелось неприятное ощущение холодного потока от окон за счет инфильтрации наружного воздуха через некачественное уплотнение стыков стекла с рамой, во-втором случае — за счет холодного дутья на уровне ног при открывании входных дверей. Особенно в этом случае жаловались женщины.
Замеры доз облучения головы стоящего и сидящего человека производились при наклоне горелок под углом 45 и 75° к полу. При этом облучение замерялось как со стороны одного, так и другого ряда горелок, работающих одновременно. Излучением третьего ряда горелок ввиду его незначительной величины пренебрегали.
На рис. 163 представлена схема точек замера доз облучения по площади торгового зала и результаты замера при наклоне горелок под углом 45°. Как видно из рисунка, наибольшее облучение имелось в точках 3 и 11 от левого ряда горелок и в точках 5 и 13 первого ряда горелок, т. е. в точках, расположенных почти на нормали к горелке. Наибольшая величина суммарной дозы облучения (от обоих рядов горелок) составила 36.4 кал/см2 • ч для стоящего человека и 35,5 кал/см2 • ч для сидящего. Наименьшая доза в обоих случаях составила 23.5 кал/см2 • ч.
На рис. 164 показаны результаты замера доз облучения при наклоне горелок под углом 75° к полу.
Из рисунка видно, что интенсивность облучения не только значительно снизилась до 7,5 (максимум) — 2 кал/см2 • ч (минимум), но и стала более равномерным по всей площади торгового зала. Средняя доза облучения стала 4—5 кал/см2 • ч, что близко к рекомендуемой Всесоюзным институтом общей и коммунальной гигиены Академии медицинских наук СССР.
Испытания при наружной температуре —20°С и скорости ветра 4,3 м/сек (работают 14 горелок). При установке горелок поверхности пола получены следующие результаты. Средняя температура внутреннего воздуха составила 15—13° С; средняя температура пола — около 8° С, стен — около 5° С. При этом почти все посетители (за исключением сидящих вблизи дверей) отмечали хорошие тепловые ощущения.
В дальнейшем в кафе («Спорт») горелки тепло- производительностью 4300 ккал/ч были заменены на горелки теплопроизводИ тельностью 2200 ккал/ч. Замеры облучения, проведенные после замены горелок, показали (рис. 165), что суммарная доза облучения на уровне головы сидящего человека не превышает 2,3 кал/см2 • ч, а разница в величинах доз суммарного облучения не превышает 0,6— 0,8 кал/см2 • ч.
Так, например, при температуре наружного воздуха 0; 6,5° С температура внутреннего воздуха на высоте 1 м от пола через довольно короткий промежуток времени (20—25 мин) поднимается от 10—11 до 19—23° С. Температура пола — от 7 до 26° С. Температура остекленных стен — от 4 до 19° С.
Отсутствие горелок меньшей теплопроизводительности (до 2000—2500 ккал/ч) не позволило обеспечить в описанных зданиях необходимые равномерность и величину доз облучения, как это было достигнуто в кафе «Спорт».
На основании проведенных испытаний и более чем четырехлетнего опыта эксплуатации значительного числа типовых зданий общественного питания легкой конструкции в Москве можно сделать следующие выводы и рекомендации.
При удовлетворительных тепловых ощущениях людей, находящихся в кафе, температура ограждающих конструкций в основном не совпала с теоретической, за исключением температуры пола при принятом режиме для температуры наружного воздуха от —6 до —15° С. Средняя температура потолка превышала расчетную на 7—35°, а средняя температура стен — на 2— 6°. Средняя температура воздуха внутри помещения почти совпала с расчетной. Она либо превышала расчетную на 1—3° (при температуре наружного воздуха до —6°С), либо была ниже ее на 1—2°, (при температуре наружного воздуха ниже —15°С).
Колебание температуры воздуха внутри помещений по высоте в пределах роста человека не превышало 2—2,5°.
Наилучшие тепловые ощущения посетителей и обслуживающего персонала кафе типа «Спорт» наблюдались при температуре внутреннего воздуха 13—15° С и суммарной плотности (дозе) облучения их на уровне головы в пределах 40— 50 ккал/м2 - ч.
Потоки наружного воздуха, врывавшегося в помещение через открываемую дверь, весьма отрицательно сказывались на тепловых ощущениях людей. Также отрицательно сказывалась инфильтрация наружного воздуха через неплотности в стеклянных панелях (стенах) здания.
Стабильность температуры ограждающих конструкций и внутреннего воздуха наступает через 20—25 мин после включения горелок.
Отопление газовыми горелками инфракрасного излучения при обеспечении нормальной работы приточно-вытяжной вентиляции не представляет опасности в смысле загрязнения внутренней атмосферы помещений окисью углерода или углекислотой, а также повышения ее влажности.
Содержание СО в продуктах сгорания хорошо отрегулированных горелок не превышает 0,005% по объему, т. е. не выходит за пределы установленных норм.
Содержание СО в воздушной среде помещений, обогреваемых горелками инфракрасного излучения, незначительно отличается от содержания СО в наружном воздухе. В большинстве обследованных кафе содержание СО в помещениях после длительной работы горелок не поднималось выше чем на 6—7 мг/м3.
Газовые горелки инфракрасного излучения также не представляют пожарной опасности, если они расположены не ближе 1 ж от сгораемых конструкций.
Вместе с тем отопление горелками инфракрасного излучения позволяет удлинять срок эксплуатации помещений легкого, даже летнего типа.
Значительное влияние наработу газовых горелок инфракрасного излучения оказывает стабильность давления газа перед ними. Пределы колебания давления газа не должны превышать 20—25% номинала.
Как уже указывалось выше, устройство отопления с помощью горелок инфракрасного излучения более выгодно в зданиях большого объема. Примером такого отопления может служить отопление производственных цехов завода тяжелых зуборезных станков, осуществленное по проекту института Гипрониигаз. Отопление смонтировано в гидропескоочистном отделении литейного цеха. Цех имеет длину 30 и ширину 12 м. Объем отапливаемого помещения составляет 3450 м3. Стены цеха выполнены из кирпича (толщиной 2 кирпича), перекрытие — из железобетонных плит толщиной 12 см, пол земляной.
Горелки ГИИ-8 теплопроизводительностью 6400 ккал/ч, работающие при давлении газа в 3000 мм вод. ст., в количестве 20 шт. подвешены к фермам на высоте 8 м от уровня пола.
Проведенные испытания данной системы отопления показали следующие результаты.
Плотность облучения на уровне пола составила 238— 110 ккал/м2 * ч. Такая неравномерность облучения может объясняться несоответствием расстояний между горелками вдоль и поперек здания.
При температуре наружного воздуха от —6,5 до —9,7° С и при скорости ветра 2,7 м/сек температура пола в середине здания достигала 22,7° С. У внутренних стен она составляла примерно 22° С, у наружных стен — 18° С, в углах здания — 16,3° С.
Средняя температура внутренней поверхности наружных стен в рабочей зоне составляла около 18° С с понижением у пола до 17° С за счет инфильтрации наружного воздуха в ворота и окна. На высоте более 7 м температура наружных стен падает до 16° С, затем снова растет до 23° С. Такое явление объясняется тем, что на уровне несколько выше 7 м стены выходят из зоны облучения, а выше 8 м они подогреваются продуктами сгорания от горелок.
Температура внутреннего воздуха на высоте 0,5 от пола составляла примерно 13° С, а на высоте от 1 до 4 л она равнялась 12° С. Выше 4 м от пола температура воздуха достаточно быстро росла почти по прямой и на высоте 10 м достигала 28° С.
Этот рост температуры воздуха объясняется нагревом его за счет сильной запыленности (в пределах 4—8 м от пола) и нагревом продуктами сгорания (выше 8 м от пола).
Относительная влажность воздуха в рабочей зоне после 3 ч работы горелок понизилась с 76 до 69%, а в зоне выше подвеса горелок, наоборот, поднялась до 83%.
Понижение относительной влажности в рабочей зоне объясняется повышением температуры воздуха, а в верхних горизонтах— выделением значительного количества влаги при сгорании газа. Организованный отвод продуктов сгорания из верхней зоны здания, предусмотренный проектом, не был выполнен, поэтому повышались относительная влажность и температура воздуха в этой зоне.
Опрос работающих в цехе показал, что более 90% испытывают хорошее тепловое самочувствие. Более 70% рабочих ощущают тепло сразу же, как только попадают с улицы в цех, 30% —через 0,5—1 мин.
Содержание окиси углерода в воздухе цеха (в рабочей зоне) до включения горелок составляло 0,002%. После 3 ч работы горелок — 0,0027%, т. е. очень незначительно изменилось.
С устройством лучистого отопления в данном цехе значительно повысилась производительность труда рабочих и снизилась заболеваемость.
Таким образом, это еще раз подтверждает выгодность устройства отопления производственных цехов горелками инфракрасного излучения. Конечно, следует и дальше вести всестороннее наблюдение за существующими системами лучистого отопления и осуществлять экспериментальные установки для накопления данных по их расчету.
При устройстве и эксплуатации систем отопления с помощью газовых горелок инфракрасного излучения помимо экономических факторов следует руководствоваться следующими соображениями.
1. Для стабилизации давления газа перед горелками подключение их по возможности производить к сетям повышенного давления с установкой регулятора давления на всю группу горелок данного объекта.
2. Должно быть обеспечено надежное удаление продуктов сгорания. Выполнение вентиляционных систем следует осуществлять в соответствии с указаниями, изложенными в 3 настоящей главы.
3. В целях повышения к. п. д. горелок продукты сгорания целесообразно направлять через систему каналов, омываемых приточным воздухом, не снижая, однако, температуру их до точки росы.
4. Расстановку горелок следует производить так, чтобы обеспечивалось относительно равномерное и в допустимых пределах (дозах) облучение людей по всей площади и высоте помещения, на которых они могут находиться длительное время. При сосредоточении людей на определенных ограниченных участках помещения горелки следует устанавливать вблизи этих участков и сосредоточивать на них максимум излучения (в пределах допустимых норм).
Наилучшим решением в расстановке излучателей (горелок) является такое, при котором обеспечивается максимальная равномерность облучения человека по всей его поверхности от головы до ног. При этом необходимо исключить возможность затенения, загораживания горелок от человека конструкциями здания, оборудованием, мебелью и т. д. Это может быть достигнуто путем установки большего числа горелок с меньшей их производительностью с учетом, конечно, экономической и технической целесообразности.
5. Для возможности регулирования величины доз облучения при изменении температуры наружного воздуха или тепловыделений внутри помещений, а также при облучении зданий солнцем рекомендуется горелки устанавливать ярусами по высоте (если это позволяет высота и конструктивное оформление помещения, а также оборудование, размещаемое в нем) или в виде панелей, состоящих из групп горелок и расположенных на одном уровне по высоте помещения. Регулирование плотности (дозы) облучения при таких размещениях горелок производится путем поярусного выключения-включения их или путем выключения-включения части горелок в панели. Одним словом, плотность облучения должна меняться не в отдельных зонах помещения, а во всех точках излучения, т. е. должно обеспечиваться сохранение равномерности и направления облучения. Нельзя допускать регулирования плотности излучения путем снижения теплопроизводительности горелок более чем в пределах 8—10% за счет уменьшения подачи газа в них. Это может вызвать неполноту сгорания газа и образование окиси углерода и даже погасание горелок.
6. В зданиях с большими застекленными поверхностями в наружных стенах нецелесообразно допускать облучение этих поверхностей во избежание больших теплопотерь. В целях уменьшения «отрицательной радиации» остекленных поверхностей рекомендуется сочетать их с панелями из полированного алюминия, облучаемыми горелками.
Следует отметить, что использование полированного алюминия для облицовки внутренних поверхностей стен при отоплении инфракрасными горелками позволяет обеспечить комфортные условия при выполнении этих стен с пониженным термическим сопротивлением и уменьшить теплопотери через ограждающие конструкции. Особенно хорошо устраивать облицовку стен алюминием под остекленными поверхностями и между ними (простенки). В исключительных случаях можно допустить облучение остекленных поверхностей от пола на высоту 2—3 м, чтобы снизить «отрицательную радиацию».
7. Во всех случаях необходимо принимать меры против инфильтрации наружного воздуха в помещения, отапливаемые горелками инфракрасного излучения. Наружный вход должен быть оборудован шлюзом, обеспечивающим подогрев наружного воздуха перед поступлением его в помещение.
8. В основу расчета отопления горелками инфракрасного излучения кладется определение высоты подвеса и расстояния между излучателями при обеспечении допустимых доз облучения людей на уровне головы, а также равномерности облучения в пределах 10—20% номинала. Определение этих параметров производится по эпюрам облучения плоскости для каждого типоразмера горелки.
9. Следует иметь в виду, что действие инфракрасного обогрева в закрытом помещении после включения горелок сказывается лишь в нагреве излучением, падающим непосредственно на человека.
В этот период воздух еще холодный. Однако чем дольше действует отопительная установка, тем сильнее нагреваются окружающие конструкции и предметы, а от них и воздух. Поэтому через некоторое время тепловые ощущения человека изменяются в сторону повышения.
Учитывая это, следует после сравнительно длительного периода работы горелок снижать плотность облучения.
10. Необходимо обеспечивать минимальную скорость движения воздуха в зоне нахождения людей, обогреваемых инфракрасными излучателями. В противном случае их тепловые ощущения будут ухудшаться.
11. Материал пола должен обладать максимальной поглощательной способностью инфракрасного излучения. В этом случае пол быстро нагревается и благоприятно действует на тепловые ощущения человека.
12. При большом количестве горелок или высоком подвесе их над поверхностью пола следует применять дистанционное включение и выключение этих горелок. В других случаях можно пользоваться ручным зажиганием.
13. При эксплуатации горелок необходимо следить за их чистотой. Пыль и копоть от факелов при ручном зажигании следует немедленно удалять, в противном случае сгорание газа может быть неполным.
14. При отсутствии автоматического контроля за горением газа в горелках должно быть обеспечено непрерывное наблюдение за их работой.
15. После длительного перерыва в работе системы отопления горелками инфракрасного излучения (на летний период) помимо -проверки работоспособности и плотности всей запорно-регулирующей арматуры, приборов и автоматических устройств необходима очистить от пыли и грязи все горелки. Лучше всего следует производить обдувку горелок сжатым воздухом или об работку пылесосом.
16. При ручном зажигании горелок (факелом) следует поднести огонь к излучающей поверхности горелки, а затем открыть газовый кран.
17. При эксплуатации газовых горелок инфракрасного излучения должны строго выполняться все требования безопасности, относящиеся к газовым приборам, устанавливаемым в помещениях.
18. При проектировании особое внимание необходимо уделить расположению газовых горелок по отношению к строительным конструкциям зданий, выполненным из сгораемых или трудносгораемых материалов, не допуская перегрева последних.
Все высказанное выше свидетельствует о возможности широкого применения инфракрасных газогорелочных устройств в системах отопления зданий из легких строительных конструкций, как, например, кафе, крытые рынки, рестораны, столовые, буфеты, магазины, гимнастические залы, бассейны, крытые стадионы и другие отапливаемые спортивные сооружения и т. д.
В производственных зданиях и помещениях, отнесенных по пожарной опасности к категориям А, Б и В, применение газовых горелок инфракрасного излучения не допускается.
Производственные не утепленные здания, помещения и отдельные рабочие места также могут отапливаться при помощи газовых горелок инфракрасного излучения, действующих периодически.
