Потенційні можливості впровадження інфрачервоного опалення в Україні

Створення децентралізованих систем опалення як для районів житлової забудови, так і для громадських будівель на сьогодні актуально. Такі системи відрізняються малою інерційністю, керованістю. Одним з видів систем ефективного опалення житлових та громадських будівель є низькотемпературні електричні інфрачервоні обігрівачі.

Однією з найважливіших задач на сьогодні є рішення проблем теплопостачання з одночасним вирішенням проблеми енергоресурсозбереження. Системи опалення, які широко використовуються у даний час, знаходяться у стані глибокої кризи, а більша частина теплових мереж потребують реконструкції. Також використання централізованого опалення призводить до значних тепловтрат при транспортуванні теплоти до споживача.

Також слід зазначити, що важливою проблемою на сьогодні є зменшення енергозалежності економіки України від споживання природного газу, вартість якого стрімко зростає. Перспективним напрямком у цьому питанні є впровадження систем електричного опалення замість традиційного газового.

Враховуючи вищезазначене впровадження систем інфрачервоного променистого опалення є перспективним напрямком розвитку теплопостачання, проте слід провести аналітичне дослідження можливості використання систем променистого опалення у житлових та громадських будівлях.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У роботі [1] розглядається можливість вирішення проблем теплопостачання в Україні шляхом впровадження автономних електричних опалювальних систем. У роботі [2] розглядаються переваги променистих опалювальних систем у порівнянні з традиційними конвекційними системами. Проте у роботах не наділено належної уваги дослідженню теплового режиму приміщень, обладнаних променистими система опалення.

Мета і завдання дослідження. Метою дійсної роботи є дослідження перспектив використання радіаційного опалення у житлових та громадських приміщеннях. Для досягнення зазначеної мети необхідно розв’язати наступні завдання:

• — виконати аналітичне дослідження доцільності широкомасштабного застосування інфрачервоного опалення в Україні;
• — провести дослідження теплового режиму приміщення, обладнаного системою променистого опалення;
• — визначити вплив інфрачервоного випромінювання на людину.

радіаційний опалення інфрачервоний житловий.

Основний матеріал статті

Опалення є однією з найбільш витратних складових інженерного забезпечення. Централізоване опалення знаходиться в стані «глибокої кризи». За оцінками фахівців, енерговтрати при такому опалюванні досягають 40% (у розвинених країнах — 2%), і більше 70% тепломереж вимагають серйозної реконструкції. Тому сьогодні вже очевидний перехід від централізованих систем опалювання або до міні-котельних (на групу будинків або на один будинок), або до індивідуальних систем [1].

Окрім широкого поширення, що історично склалося, і відносної дешевизни для споживача, централізоване опалення (ЦО) не має інших помітних переваг. Та і таке широке поширення ЦО отримало ще з XIX столітті лише унаслідок відсутності у той час гідної альтернативи у вигляді дешевої електроенергії і економічних систем електроопалювання.

Основними недоліками ЦО є:

• — великий знос тепломереж і систем ЦО, що викликає численні аварії, протікання, позапланові відключення опалювання і т. п.; витрати на ремонтно-відновні роботи, які раніше покривалися в основному державою, тепер лягатимуть на плечі споживачів, тим самим зводячи нанівець одну з основних переваг ЦО — відносно невисоку вартість його експлуатації для громадян;
• — високі тепловтрати при доставці тепла споживачеві, висока вартість прокладення трубопроводів гарячого водопостачання; внаслідок цього ТЕЦ доводиться будувати у відносній близькості до споживачів тепла, тобто до житлових і промислових зон, що, безумовно, погіршує екологічну ситуацію в цих районах. До того ж через досить низький ККД усієї системи (від ТЕЦ до радіаторів в квартирі) доводиться спалювати набагато більшу кількість палива і відповідно багаторазово збільшувати викид в атмосферу продуктів горіння;
• — практична неможливість регулювання температури в приміщеннях за бажанням споживача.

Останнім часом спостерігається тенденція встановлювати кімнатні термостати, які нібито дозволяють регулювати тепловіддачу радіаторів, проте при цьому замовчуються деякі проблеми: збільшується ризик засмічення із-за домішок, що потрапили у систему опалення, і низької якості теплоносіїв; відкладення на деталях термостатів з часом змінюють їх характеристики і погіршують роботу; можлива поява шуму в клапанах; нелінійна залежність між змінами температури в приміщенні і тепловіддачею (для деяких радіаторів зміна потоку в 2 рази змінює тепловіддачу всього на 7−12%) може привести до нестабільності в роботі системи опалювання. Слід зауважити, що термостати найчастіше вимірюють не температуру повітря, а температypy теплоносія, а це призводить до зниження точності контролю температури, перегрівання, зниження комфортності. Гідравлічна система ЦО, як правило, не дозволяє відключити окремі приміщення або істотно змінити їх теплові характеристики. Усе це разом з досить високою вартістю подібних пристроїв (від 5 до 30 дол. США/шт.) і робіт по їх встановлюванню не дозволяє вважати цю конструкцію придатною для масового застосування [2].

Якщо ж абстрагуватися від зовнішніх проблем і розглянути конкретний радіатор в конкретній житловій кімнаті, то з точки зору екології і тут виникає багато серйозних питань. По-перше, при роботі радіатора з високою робочою температурою (60−70°С) відбувається загибель мікрофлори («омертвляння» повітря), що знаходиться в повітрі. По-друге, виникаючі конвективні потоки створюють в приміщенні постійно повітряні маси, що рухаються, піднімають пил і рознощики її по усьому приміщенню. По-третє, виникає велика розбіжність температур по висоті приміщення (холодна підлога, гаряча стеля), що, як відомо, не є корисним для організму людини [2].

Особливістю паливно-енергетичного балансу розвинених країн є значна витрата електроенергії для опалювальних цілей. За наявними даними, у Франції електроопалюванням обладнано близько 40% усіх будівель, в Іспанії і Фінляндії - 30%, в Норвегії - відомому світовому виробнику і постачальнику газу — більше 80% [1].

Україна належить країн з розвиненою атомною енергетикою (56% електричної енергії робиться на атомних електростанціях), але в 2009;2010 роках країна втратила зарубіжні ринки збуту електроенергії.

У Україні, згідно з розпорядженням Кабінету Міністрів № 502 від 28.09.2006г, почала реалізовуватися програма перекладу населених пунктів на опалювання електроенергією [1].

Навіть враховуючи певний ресурс власного природного газу, Україна все-таки має два основні джерела енергії - вугілля і уран. Звідси і перспективи розвитку. Україна, яка вже зараз робить 58% електроенергії на атомних станціях і займає 3 місце у світі по її споживанню на душу населення, що зумовлює впровадження електротехнологій в опалювання в самий найближчий час. Є стабільна сировинна база — зараз Україна є восьмою країною у світі по здобичі урану. Електроенергія як засіб обігріву приміщень повинні в перспективі витіснити газ і понизити енергозалежність України.

Економіка України значною мірою залежить сьогодні від споживання природного газу, але по-перше — це непоновлюване джерело енергії, яке у більшості розвинених країн використовується як сировину для промисловості, а не як джерело енергії для обігріву приміщень, а по-друге, він постійно дорожчає, і якщо подивитися динаміку подорожчання природного газу в порівнянні з подорожчанням електроенергії, то очевидно, що темпи збільшення ціни на газ значно перевищують темпи збільшення ціни на електроенергію.

Ці дані були надані Міністерством житлово-комунального господарства. Вони дуже тісно переплітаються з інформацією, представленою Інститутом прогнозування розвитку економіки. Тільки за останні шість років ціна газу у світі піднялася в чотири рази.

Завдання вітчизняної електроенергетики — максимально освоїти внутрішній ринок, а отже — притягнути нових споживачів, у тому числі і за рахунок розвитку електричного обігріву. А потенціал тут просто величезний, адже на сьогодні на електроопалювання використовується не більше 1% електроенергії.

У березні 2006 року Кабінет Міністрів країни схвалив Енергетичну стратегію України на період до 2030 року. У документі відзначається, що однією з основних складових благополуччя в цивілізованих країнах є забезпечення громадян теплом і електроенергією [1]. Ці проблеми дуже актуальні і для України. Застарілі теплоцентралі не можуть сьогодні забезпечити нормальне теплопостачання.

Модернізація електричних мереж дасть можливість забезпечити споживача якісною електроенергією і теплом за рахунок використання малопотужних електричних опалювальних систем.

Ці системи можна швидко і ефективно впровадити на не газифікованих територіях. Монтаж таких опалювальних систем в установленому порядку, тобто з виконанням технічних умов і проекту, дозволить споживачеві отримати понижений тариф на електроенергію.

У світі вже накопичений багатий досвід по використанню прямого стаціонарного довгохвильового електроопалювання для будь-якого класу об'єктів. Це — різні варіанти створення теплового комфорту, економічна вигода від гнучкої системи регулювання температур у кожному приміщенні. Також варто враховувати чинник екологічної безпеки. До безперечних переваг променистого опалювання також можна віднести майже 100% ККД і простоту монтажу системи. Більше того — її можна створювати поетапно, поступово нарощуючи потужність.

Пряме стаціонарне довгохвильове електроопалювання є комплексом приладів, що перетворюють електроенергію безпосередньо в тепло без проміжних теплоносіїв. Це устаткування екологічно безпечне, може тривало і безвідмовно працювати без втручання людини і в його відсутність і, звичайно, захищено на випадок аварійних ситуацій.

Завдання будь-якої, без виключення, опалювальної системи — зігріти не стільки приміщення, в якому знаходиться людина, скількох її саму, створити їй комфортні умови. Променисті системи справляються з цим завданням набагато успішніше за конвекційні.

У рідинній системі джерело тепла, перетворюючись в теплову енергію, нагріває воду, вода тече по трубах, нагріваючи батареї, ті віддають своє тепло повітрю, а повітря гріє людину. Цей стандартний ланцюжок характерний для конвекційної системи обігріву. В цьому випадку між джерелом тепла і людиною існує або два посередники — вода і повітря, з нагрівом яких пов’язані тепловтрати, або один — повітря, якщо йдеться про системи опалювання з використанням електричного або газового конвекторів.

Променисте тепло має абсолютно іншу природу. Якщо при конвекції молекула з більш високою температурою передає свою енергію молекулі з нижчою температурою, то у випадку з променистими системами немає передачі тепла через повітря, повітря при променистому опалюванні не нагрівається (в силу своєї діатермічності). Енергія коливання електромагнітних хвиль перетвориться в теплову безпосередньо на поверхні предметів, на які вона потрапляє, або на тілі людини, зігріваючи його. В цьому випадку посередники при теплообміні відсутню, тобто і втрати тепла мінімальні. Тому променисті системи і називають системами прямого нагріву, у відмінність рідинних, систем непрямого нагріву.

Основна складова теплових втрат — це та частина нагрітого повітря, яка постійно переміщається за рахунок повітрообміну і інфільтрації. Деяка частина тепла йде через підлогу, дах і через огороджувальні конструкції, — стіни, вікна, двері.

Самопочуття і працездатність людини залежать від роботи фізіологічної системи терморегуляції організму, яка нормально функціонує при температурі тіла близько 36,6єC. Допустимі коливання цієї температури не повинні перевищувати 0,4ч1,1єС. Для забезпечення постійної температури потрібне дотримання загального теплового балансу людини, яка характеризується наступним рівнянням:

(1.1).

де Q_ч — загальна кількість енергії, що виробляється організмом людини;

Q_ч^к — теплообмін людини з довкіллям конвекцією;

Q_ч^л — теплообмін людини випромінюванням;

Q_ч^и — витрати теплоти на випар вологи;

Q_ч^р — витрата теплоти на механічну роботу;

Q_ч^ф — витрати теплоти на нагрів вдихуваного повітря;

Q_ч — надлишок або недолік теплоти в організмі.

Відчуття температурного комфорту залежить від температури оточуючого повітря і температури поверхонь, звернених у приміщення. Поняття осереднення температура огороджувальних поверхонь приміщення (або радіаційна температура) має велике значення, оскільки більша частина втрат теплоти організмом людини відбувається шляхом випромінювання (від 45 до 60% загальних втрат теплоти) [3]. Чим вища радіаційна температура, тим менша кількість теплової енергії втрачається людиною через випромінювання.

При променистому опаленні можливо підтримувати в приміщенні дещо нижчу температуру повітря за рахунок підвищення радіаційної температури в порівнянні з нормованим значенням температури внутрішнього повітря для конвекційних систем. А звідси — і відчуття комфорту при нижчій температурі, і економія електроенергії при обігріві приміщення, і менша розрахункова потужність опалювання.

Також слід розглянути градієнт температури приміщення по висоті.

При променистій системі опалювання він складає 0,2−0,3 єС на метр, при конвекційній — від 0,7 до 1,5єC/м. При висоті приміщення 2,5 метри при променистій системі опалювання температура складає 18єC у підлоги і 19єC під стелею, тоді як при конвекційній системі ця різниця буде більш відчутна — +18єC на підлозі і +22ч23єC під стелею. А це означає, що при конвекційній системі опалювання витрачається значна частина енергії на додатковий обігрів повітря, що скупчується в даремному підстельовому просторі, а, отже, і потрібна велика електрична потужність для підтримки комфорту в опалюваному приміщенні.

Окрім опалювальних агрегатів в кожній кімнаті приміщення, що обігрівається, встановлюється терморегулятор, контролюючий роботу опалювального устаткування. При цьому використовуються найпростіші механічні терморегулятори. На терморегуляторах в кожній з кімнат виставляється необхідна температура в діапазоні від +8єC до +30єC. При цьому управління електричною системою не вимагає ніяких спеціальних навичок. Простим поворотом руків'я на терморегуляторі встановлюється комфортна температура в приміщенні.

Що важливо: автоматика регулює в даному випадку саме температуру повітря в приміщенні, а не температуру поверхні радіатора. Якщо врахувати, що зміна температури повітря всього на 1 °C призводить до зміни споживання електроенергії приблизно на 5−6%, то раціональне управління опалюванням і застосування багатотарифних приладів обліку (лічильників) здатне забезпечити до 60% економії електроенергії.

Опалювальне устаткування включається і працює до тих пір, поки не прогріє повітря до заданої температури. Коли ж термостат відключає панелі і плінтус, який в останній час комбінується з інфрачервоними панелями, температура на їх поверхні вмить не опускається, оскільки усередині сучасних опалювальних приладів є теплонакопичувач (зокрема, 700-ватна панель до робочої температури 80єC нагрівається за 10 хв., а остигає до кімнатної температури впродовж години). Як тільки температура в приміщенні знижується на 1−1,5 єС, термостат знову включає обігрівачі, вони працюють 10−15 хв., заповнюють теплові втрати і знову на 40−45 хв. відключаються, таким чином панелі працюють в добу 5−8 годин. Ці параметри дотримуються у тому випадку, якщо правильно зроблений розрахунок необхідної потужності опалювання і оптимально підібрана кількість опалювальних агрегатів з урахуванням тепловтрат конкретної будівлі і бажаного температурного режиму усередині приміщення.

У дитячих кімнатах і спальнях, бажано, щоб ліжко, предмети, іграшки були тепліші, ніж навколишнє повітря. У цьому також проявляється деяка якісна перевага променистого тепла.

Якщо у квартирі засклена лоджія або балкон, то ідеальним вирішенням будуть саме інфрачервоні обігрівачі, оскільки вони позбавляють від полою та запотівання стекол. Вони зовсім не потребують місця, знаходячись на стелі и більш економічні у погано утеплених просторах.

Дуже зручні інфрачервоні обігрівачі в малоповерхових заміських будинках, якщо люди приїжджають туди періодично і вологе прибирання робиться не щодня. При такому способі опалювання відсутні конвекційні потоки, частки пилу не піднімаються і не здійснюють кругообіг по житлу після включення опалювання на повну потужність.

Інфрачервоне випромінювання має наступні важливі характеристики довжину хвилі, частоту випромінювання і інтенсивність.

На думку співробітників НДІ медицини при Академії наук України, інфрачервона радіація позитивно діє на організм, якщо довжина її хвилі не перевищує довжини хвилі, що виділяється самою людиною. Людина випромінює інфрачервоні хвилі в діапазоні від 2,5 до 25 мкм з піком випромінювання на довжині хвилі 9,3−10 мкм. Тому можна отримати явище, що називається «резонансним поглинанням», при якому зовнішня енергія активно поглинатиметься тілом [1].

Оскільки інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль приблизно від 7 до 14 мкм проникає не лише під шкіру людини, але також і на клітинний рівень, запускаючи там ферментативну реакцію.

В результаті цієї дії підвищується потенційна енергія клітин організму, і з них йтиме незв’язана вода. Підвищується діяльність специфічних клітинних структур, росте рівень імуноглобулінів, збільшується активність ферментів і естрогену, відбуваються і інші біохімічні реакції. Це стосується усіх типів клітин організму і крові.

Як і у випадку з різною довжиною хвилі, різні значення інтенсивності небезпечні або сприятливі для людини. Якщо при дії потоків енергії інтенсивністю 70−100 Вт/м² в організмі підвищується активність біохімічних процесів, що веде до поліпшення загального стану людини, то інтенсивність, рівна 175 Вт/м², здатна привести до негативних змін природної структури молекули білку, пригноблення імунної системи.

Опалювання, засноване переважно на променистому теплі, оберігає людину від негативних дій конвекційного опалювання. Постійна циркуляція перегрітого і відносно забрудненого повітря в приміщенні при конвекційному опалюванні цілком логічно пояснює щорічні хвилі грипу, ОРЗ на початку опалювального сезону.

Також зазначити ще один важливий аспект. В усіх опалювальних системах, у яких використовуються заземлені металеві деталі корпусів і повітропроводів (наприклад, конвектори, радіатори, канальні вентилятори, теплові вентилятори і теплові завіси), через які йдуть постійні конвективні потоки, відбувається так звана «деіонізація» повітря. Нормальний рівень змісту в атмосфері негативно заряджених іонів складає приблизно 600−700 од./см³. При використанні металевих конвекторів кількість іонів в повітрі знижується у 8−10 разів, тобто до 50−100 од./см³. Для компенсації цієї недостачі, доводиться застосовувати різноманітні додаткові пристрої іонізації повітря, найвідомішим з яких, очевидно, являється «люстра Чижевського», але застосування наявних на сьогоднішньому ринку деяких модифікацій цього приладу може бути зв’язано з шкідливим для здоров’я супутнім ефектом озонування повітря. При цьому слід зазначити, що при використанні ІЧ обігрівачів процес деіонізації або відсутній зовсім, або знижується на практично невідчутні 1−2%. [2].

Висновки та перспективи подальших досліджень

• 1. Доцільність широкомасштабного застосування прямого променистого електричного опалювання в Україні обумовлена наступними чинниками:
  • — Загальносвітовою тенденцією зростання цін на усі енергоносії, що змушує уряди багатьох країн прибігати до пошуку альтернативних джерел енергії для забезпечення економіки. І Україна у даному контексті не є виключенням. Відповідні заходи були визначені розпорядженням уряду від 28 вересня 2006 року № 502-р.
  • — Колосальним досвідом застосування електроопалювання в цілому і прямого стаціонарного електроопалювання зокрема в розвинених країнах у всьому світі.
  • — Положенням України як відомого світового виробника атомної електроенергії.
  • — Економічними аспектами. Витрати на установку устаткування і його експлуатацію вже на сьогодні складають серйозну конкуренцію усім відомим варіантам централізованих і індивідуальних систем опалювання.
  • — Екологічністю і безпекою систем прямого променистого електричного опалення.
• 2. Необхідно розробити методу теплотехнічного розрахунку огороджувальних конструкцій у приміщенні, обладнаному ІЧ променистим опаленням
• 3. Необхідно провести дослідження теплового режиму приміщень, обладнаних система ІЧ опалення
• 4. Розробити методику розрахунку комбінованих систем опалення на базі використання спільного використання систем променистого та конвекційного опалення.

Перелік посилань

• 1. Сравнение различных видов отопления здания // Электронный журнал «ЭСКО». — 2006. — № 9
• 2. Маслов В. В. Системы отопления. Экология, экономика, история и перспективы — http://www.maslovip.ru/
• 3. Богословский В. Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). Учебник для вузов. — М.: «Высшая школа», 1982. — 415 с.