В современном мире проблема энергосбережения является одной из важнейших в строительной отрасли ввиду роста цен на энергоносители [1]. Бóльшая доля энергетических ресурсов расходуется на отопления крупнообъёмных помещений. Среди известных способов оптимизации и снижения затрат тепловой энергии при отоплении таких помещений особенным является использование систем лучистого отопления. Среди прочих способов оно является приоритетным и заслуживающим особого внимания [2–4], поскольку по сравнению с водяными и воздушными системами отопления требует меньших затрат теплоты без снижения уровня теплового комфорта.

В отопительных системах на базе инфракрасных излучателей (ИИ) теплота подаётся в рабочую зону направленным потоком теплового излучения. Так как воздушные массы в помещении не поглощают электромагнитное излучение в инфракрасном спектре, а лишь рассеивают его, то энергия от ИИ аккумулируется на облучённых поверхностях и способствует формированию конвективных потоков, обеспечивающих нагрев воздуха рабочей зоны, что указывает на принципиальное отличие от «традиционных» систем отопления и перспективность использования лучистых систем [5, 6].

Нормативная база, определяющая требуемые параметры микроклимата крупнообъёмных помещений, не учитывает специфику работы систем лучистого отопления. А она, в свою очередь, является определяющей при рассмотрении преимуществ данных систем по сравнению с водяными и воздушными. По объёму затрачиваемой тепловой энергии превосходство лучистых систем отопления может составлять до 40% [3, 5, 6].

Одним из факторов, позволяющих снизить энергопотребление, является снижение температуры воздуха рабочей зоны tв.р на величину до 4°C по сравнению с нормативными значениями, предусмотренными при проектировании «традиционных» систем отопления [7, 8].

Это становится возможным за счёт большей плотности потока теплового излучения в помещениях с системой отопления на базе инфракрасных излучателей, которое непосредственно нагревает поверхность тела людей и животных.

Наиболее энергоэффективным видом лучистого отопления, ввиду ряда факторов [5], можно считать отопление на базе газовых инфракрасных излучателей (ГИИ). В таких системах исключено использование промежуточного теплоносителя (воды, пара), тепловая энергия поступает в помещение от первичного энергоносителя — газа.

Однако использование подобных систем связано с некоторыми сложностями, например, применение любых видов ГИИ в категорийных помещениях ограничено, ведь использование «светлых» газовых инфракрасных излучателей связано с выбросом продуктов сгорания непосредственно в объём обслуживаемого помещения, что накладывает свой отпечаток на перечень помещений, где возможна их установка. Стоит учесть, что подключение газа во многих регионах России сопряжено с крупными финансовыми затратами. Один из самых эффективных видов лучистого отопления, применение которого не столь ограничено, — системы лучистого отопления на базе низкотемпературных инфракрасных излучателей (НИИ). Отопительные приборы в данных системах — излучающие профили или потолочные излучающие панели, использующие жидкий теплоноситель, нагретый до температур от 40 до 150°C. Тепловая энергия передаётся от теплоносителя к излучателю, и он, в свою очередь, начинает излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне, что обеспечивает отопление обсуживаемого помещения.

Одной из причин малого распространения систем отопления на базе НИИ является отсутствие апробированной на практике научно-обоснованной методики проектирования.

Стоит отметить, что использование систем отопления на базе низкотемпературных инфракрасных излучателей характеризуется рядом преимуществ, ведущим к высокой энергоэффективности системы отопления, таким как: низкая тепловая инерция, что обеспечивает короткое время реагирования; простое и эффективным регулирование, за счёт небольшого количества теплоносителя в системе; направленная подача тепловой энергии в рабочую зону помещения, что позволяет создать зональную систему отопления; простота монтажа и обслуживания, за счёт кратного уменьшения длины транзитных трубопроводов; снижение трансмиссионных тепловых потерь через покрытие здание, к которому ведёт небольшой градиент температуры воздуха по высоте помещения и отсутствие «тепловой подушки»; возможность применения возобновляемых источников энергии и систем рекуперации теплоты; отсутствие сквозняков и пылевых масс, благодаря минимизации конвективных процессов; бесшумная работа системы; экономия пространства; долгий срок службы.

Применение лучистых систем отопления на базе НИИ является эффективным и экономически обоснованным в крупнообъёмных помещениях, таких как производственные помещения, шоурумы, здания транспортной инфраструктуры, спортивные комплексы и т. д.

Для проведения комплекса исследований теплового режима помещений, оборудованных лучистыми системами отопления на базе НИИ, в ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ) был создан Учебный научноисследовательский центр «Системы отопления с использованием низкотемпературных инфракрасных излучателей» (УНИЦ «СОНИИ»). В основу центра легла «Лаборатория лучистого отопления», оборудованная необходимой приборной базой и созданная совместно с компанией ООО «Флайг+Хоммель» при непосредственном её финансировании.

Для создания полноценной картины работы системы отопления на базе НИИ требуется всестороннее изучение следующих теплофизических параметров: определение удельной теплоотдачи излучающего профиля (излучателя); измерение плотности лучистого потока тепловой энергии; моделирование теплового режима отапливаемого помещения; моделирование теплового и температурного режимов ограждающих конструкций обслуживаемого помещения.

Исследование теплотехнических характеристик низкотемпературных инфракрасных излучателей. 10/2019. Фото 1

В данной статье представлены результаты исследований, связанных с определением удельной теплоотдачи 1 п.м. излучающего профиля и измерением плотности лучистого потока тепловой энергии. Объектом исследований стал излучающий профиль модели Helios 750 (рис. 1) производства компании Flaig+Hommel. Для оценки теплотехнических характеристик профиля была сконструирована экспериментальная установка, показанная на рис. 2. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.

Исследование теплотехнических характеристик низкотемпературных инфракрасных излучателей. 10/2019. Фото 2

Характеристики исследуемого излучателя марки Helios 750: габаритные размеры (ш×в×д) — 170×170×1000 мм; материал профиля — анодированный сплав алюминия (AlMgSi0,5); максимальное рабочее давление — 10 бар; максимальная температура подаваемого теплоносителя ограничена лишь характеристиками источника теплоты, поскольку сплав не подвержен коррозии и высокотемпературной эмиссии электронов. Данный образец позволяет смоделировать фрагмент системы водяного лучистого отопления на базе НИИ, применить известные в этой области методики испытаний, получить экспериментальные данные, которые масштабируемы для создания и усовершенствования методики проектирования систем лучистого отопления.

В рамках исследования было проведено термографическое исследование лабораторной установки, результаты приведены на рис. 4–5.

Исследование теплотехнических характеристик низкотемпературных инфракрасных излучателей. 10/2019. Фото 3

Измерение удельной теплоотдачи одного п.м. излучателя производилось с помощью электромагнитного расходомерасчётчика марки ЭРСВ-570Ф и вычислителя количества теплоты ТРСВ-026М производства ЗАО «Взлёт». Измеряемые величины: t1 и t2 — температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах установки, °C; G1 и G2 — массовые расходы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе экспериментальной установки, кг/ч; N — количество включённых излучателей, шт.; Qтр — транзитные тепловые потери [Вт], измеренные экспериментально.

Уравнение удельной теплоотдачи 1 п.м. излучателя в заданных условиях выглядит следующим образом:

Исследование теплотехнических характеристик низкотемпературных инфракрасных излучателей. 10/2019. Фото 4

где ct1 и ct2 — теплоёмкости воды в подающем и обратном трубопроводах, соответственно, кДж/(кг·°C).

Результаты проведённых исследований по определению удельной тепловой мощности 1 п.м. излучателя приведены в табл. 1 и на рис. 6.

Измерение плотности потока лучистой тепловой энергии проводилось при помощи неселективного радиометра «Аргус-03», координаты точек измерения определялись с помощью лазерного дальномера марки Bosch GLM 50C. Измеряемыми величинами являлись: t1 — температура теплоносителя в подающем трубопроводе экспериментальной установки, °C; tНИИ — температура поверхности излучателя, °C; lx — расстояние от поверхности излучателя до точки измерения, м; x — угол между нормалью излучателя и плоскостью измерения, град.; EНИИ — плотность лучистого теплового потока, Вт/м².

Результаты проведённых исследований по определению плотности потока лучистой тепловой энергии приведены в табл. 2 и на рис. 7. На базе УНИЦ «СОНИИ» ННГАСУ проведено экспериментальное исследование теплотехнических характеристик низкотемпературных инфракрасных излучателей марки Helios 750 производства ООО «Флайг+Хоммель». Дальнейшим этапом исследований является лабораторное изучение теплового режима помещения, оборудованного НИИ с корреляцией полученных результатов на натурном объекте.

Исследование теплотехнических характеристик низкотемпературных инфракрасных излучателей. 10/2019. Фото 5