ВВЕДЕНИЕ
Некоторые виды лучистого отопления применялись уже в древности и в средние века в виде отопительных устройств, размещавшихся в полу или стенах. «Возрождение», широкое распространение этого вида отопления в наше время объясняется тремя основными причинами.
1. Существенное различие между условиями лучистого и конвективного теплообмена. Ведь общеизвестно, что используемый при расчете отопительного устройства коэффициент теплообмена а состоит из двух составляющих:
При сопоставлении двух коэффициентов теплообмена сразу видно, что если при лучистом теплообмене необходимо принимать во внимание разность четвертых степеней температуры, то в случае конвекции — корень четвертой степени разности температуры. При этом значение коэффициента теплового излучения С = 5,0 — 5,3 Вт/(м2-К4) для установок лучистого отопления достижимо сравнительно простыми средствами [хотя значение для абсолютно черного тела, равное 5,78 Вт/(м2-К ), в реальных условиях недостижимо]. В то же время величина а при вычислении коэффициента конвективного теплообмена колеблется от 0,5 до 2,8. Поэтому с точки зрения передачи энергии при лучистом теплопоступлении теплообмен и теплоутилизация могут осуществляться более эффективно.
2. Согласно теории теплопередачи, стальные трубы с покрытием определенной толщины, собственная температура которых выше температуры окружающей среды, отдают последней больше теплоты, чем при отсутствии покрытия. Коэффициент теплопередачи изолированной трубы при расчете на единицу длины выражается известной зависимостью
Вычисляя вторую производную, получаем положительную величину, поэтому при значении dSZk, определенном по формуле (0.10), коэффициент теплообмена имеет минимум, а количество проходящей теплоты — максимум.
Из уравнения (0.10) видно, что экстремальная величина не зависит от внутреннего диаметра dszb изоляционного материала (наружного диаметра трубы).
Рассмотрим неизолированную стальную трубу, замоноличенную в бетон, часто применяемую при лучистом отоплении. Коэффициент теплопроводности стали А,= 58 Вт/(м-°С), а ак примем равным 14 Вт/(м2-°С) (труба окружена воздухом, и излучение теплоты происходит беспрепятственно). Тогда
Таким образом, неизолированная стальная труба с наружным диаметром dk= 8,29 м отдает наибольшее количество теплоты. Естественно, отдаваемое количество теплоты зависит и от внутреннего диаметра, но при любом данном внутреннем диаметре количество отдаваемой теплоты максимально, если наружный диаметр равен 8,29 м.
Часто применяемые изоляционные материалы типа «термалит» имеют коэффициент теплопроводности А, = 0,116 Вт/(м-°С). Если оставить а = 14,0 Вт/(м -°С), то наружный диаметр dSZk, обеспечивающий максимальное количество передаваемой теплоты, составляет
На этом основано использование бетонных отопительных установок, потолочных установок типа «Криттал», отопительных установок в наружных стеновых панелях, а также применение экранов лучистого отопления.
3. За последние десятилетия научные исследования в области теплоощущений позволили выяснить условия тепловыделения и восприятия теплоты у людей, находящихся в закрытом помещении.
Уже давно известно, что теплообмен между телом человека и окружающей его средой в состоянии равновесия происходит по схеме, приведенной на рис. 0.1. Более подробно данные параметры рассмотрены в таблицах Брадтке, Коллмара и Лизе (рис. 0.2). Из этих схем видна важная роль лучистого теплообмена. Дальнейшей целью исследователей было уже определение конкретных числовых величин при различных параметрах микроклимата, выполнении различной деятельности и т. д. На рис. 0.3 приведена одна из многочисленных диаграмм, отражающих результаты исследований.
Можно утверждать, что температура воздуха в помещении с лучистым отоплением может быть ниже, чем при конвективном отоплении. Человек отдает окружающей среде теплоту, вырабатывающую в ходе физиологического процесса, главным образом путем лучистого теплообмена и конвекции. При лучистом отоплении лучистая составляющая теплообмена тела человека сокращается из-за более высокой температуры, возникающей как на поверхности отопительного прибора, так и на поверхности некоторых внутренних ограждающих конструкций, поэтому при обеспечении одного и того же теплоощущения конвективные тепло- потери могут быть больше, т. е. температура воздуха в помещении меньше.
Хотя этот вопрос ниже рассматривается подробнее, здесь хотелось бы сказать, что лучистый теплообмен играет решающую роль в формировании ощущения теплового комфорта у человека. Этот фактор также стимулировал распространение лучистого отопления, однако следует упомянуть о том, что в данной области имеется больше всего невыясненных вопросов и тем для исследований.
Наряду с тремя указанными выше основными причинами можно перечислить еще ряд преимуществ систем лучистого отопления, которые обусловливают желательность их применения.
4. Температура воздуха в помещении по вертикали изменяется более равномерно, чем при использовании конвективной системы отопления.
5. Сказанное в пп. 1 и 2 подтверждает, что теплопотери в помещениях с лучистым отоплением меньше, чем в помещениях, отапливаемых главным образом за счет конвекции. Особенно значительной экономии можно достигнуть при лучистом отоплении крупных одноэтажных промышленных зданий.
6. Устройства для лучистого отопления не занимают полезную площадь помещения. Это касается не только отопительных установок, вмонтированных в ограждающие конструкции и потому невидимых, но и отопительных экранов систем лучистого отопления, поскольку их обычно размещают под потолком помещения, так что они не создают помех для установки оборудования.
7. Греющая поверхность летом может быть без переделки использована для охлаждения соответствующим хладагентом.
8. При конвективном отоплении происходит оседание пыли на стенах, при лучистом же отоплении этого не наблюдается.
9. В некоторых случаях при использовании лучистого отопления капитальные затраты меньше, чем при применений обычных систем отопления.
Для полноты следует упомянуть, хотя бы в общих чертах, и о недостатках, которые в дальнейшем будут рассмотрены подробнее:
в помещениях с большими удельными теплопотерями трудно обеспечить приятное теплоощущение, особенно при потолочном отоплении;
температура в отопительном устройстве распределяется неравномерно, поэтому наблюдается и различное тепловое расширение, в связи с чем излучатели нужно очень тщательно разрабатывать и монтировать;
в распоряжении конструкторов и строителей имеется довольно мало стандартов и методов расчета, поэтому перед ними стоят очень ответственные и сложные задачи;
капитальные затраты на лучистое отопление, особенно при применении теплоносителя с низкой температурой, превышают капитальные затраты на отопительные приборы конвективной системы.
Последний из перечисленных недостатков в настоящее время в наибольшей степени препятствует дальнейшему распространению лучистого отопления.
