Здания видятся важной частью инфраструктуры, исполняют значимую роль энергетической политики государства. Модели потребления энергии во всём мире показывают: здания являются основными потребителями (около 45%). На второй позиции промышленность и транспорт (20%). Из общего потребления энергии зданиями, около 54% приходится на отопление. Поэтому актуальны экономичные проекты, например — лучистое отопление, позволяющие снизить энергопотребление без ущерба комфорту.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Организация отопления жилых зданий
Для распределения тепла внутри жилых зданий обычно используются гидравлические системы с радиаторами под горячую воду или центральная система принудительной подачи воздуха. Использование систем поверхностного обогрева постепенно наращивается, но эта технология пока что отстаёт от традиционных радиаторных вариантов.
Правда, после внедрения пластиковых трубопроводов, применение лучистого нагрева на водной основе с трубами, встроенными внутри поверхности помещений (полы, стены, потолки), значительно возросло.
Более ранние применения систем лучистого отопления отмечались в основном в составе проектов жилых зданий высокого уровня комфортабельности, с большой жилой площадью и возможностями свободной установки оборудования.
По причине экономии энергии и снижения пиковой нагрузки, лучистые системы видятся рациональным решением для широкого применения в коммерческих, промышленных и жилых зданиях.
Последние годы интерес к системам лучистого нагрева (охлаждения) увеличивается. Тенденция объясняется высокой энергетической эффективностью по сравнению с проектами систем кондиционирования воздуха.
Проекты обогрева методом лучистое тепло
Существует масса работ, посвященных исследованиям низкотемпературных излучающих систем с последующим сравнением с другими системами отопления. Сравнительные критерии очевидны — потребление энергии и получение теплового комфорта. Результаты, как обычно, неоднозначны.
Например, при сравнении потребления энергии потолочной системой лучистого отопления относительно радиаторной системы и установок кондиционирования воздуха, исследователи пришли к выводу, что потолочная система лучистого отопления потребляет на 17% больше энергии.
Другим исследованием отмечено потребление энергии напольными панельными системами на 30% ниже, чем с классическими радиаторными установками.
Замечено, что системы нагрева настенных панелей с надлежащей теплоизоляцией показывают на 28% меньше потребляемой первичной энергии, чем это показывают традиционные системы радиаторного отопления.
Чтобы определиться более конкретно, рассмотрим системы распределения тепла внутри жилых зданий, ориентированные на лучистые панели (пол, стена, потолок).
Лучистые системы нагрева
Низко-энергетические проекты зданий обычно рассчитаны на систему отопления, которая работает с температурой воды ниже 45°C. Между тем встроенные лучистые системы подходят для эксплуатации в составе любых типов зданий.
Лучистые системы отопления передают тепло конструкции пола, стеновым или потолочным панелям строения. При этом гидравлические проекты оперируют широким спектром источников энергии нагрева распределяемой жидкости:
- солнечные водонагреватели,
- газовые бойлеры
- угольные и древесные котлы,
- комбинированное оборудование.
Применение лучистого нагрева классифицируется как панельный обогрев, если температура поверхности панелей не превышает 150°С. Тепло передаётся электромагнитными волнами, которые движутся по прямой линии и способны отражаться от встречных поверхностей.
Оборудование обычно изолировано от основной конструкции здания (пол, стена, потолок). Фактический режим работы (отопление/охлаждение) оборудования зависит от теплопередачи между водой и жилым пространством.
Панельный нагрев обеспечивает комфортную среду, контроль температуры поверхности и минимум движения воздуха в пространстве. Лучистая система является «чувствительной» системой отопления, которая обеспечивает более 50% общего теплового потока за счет теплового излучения.
Регулируемые поверхности температуры могут быть встроены в полу, стенах или потолке. При этом температура поддерживается циркуляцией воды или воздуха.
Технические характеристики панельного теплообмена
Лучистый теплообмен во всех случаях составляет 5,5 Вт /м2К. Конвективный теплообмен варьируется в диапазоне 0,5 — 5,5 Вт/м2К, в зависимости от типа поверхности и режима работы. Эти моменты показывает, что лучистый теплообмен варьируется в диапазоне 50 – 90 % относительно общей теплоотдачи.
Лучистое панельное отопление характеризуется тем, что нагрев связан с выходом тепла с низкой температурой по физиологическим причинам.
Таким образом, температура поверхностей панелей лучистого обогрева пола не должна превышать +29°C. Поверхности потолочных панелей допускают температуру не выше 35 — 40°C, в зависимости от критериев теплового комфорта, установленных стандартом ISO 7730.
Рекомендуемая разность температур воздуха на уровне головы и ног около 3°C. Внутри хорошо изолированного здания выбор материала поверхности пола имеет решающее значение в отношении того, насколько чувствительно определяется тепло поверхности пола.
Например, дубовый паркет при температуре 21°С и каменный пол при температуре 26°С — дают нейтральную чувствительность и воспринимаются примерно одинаково оголённой ступнёй (ISO / TS 13732-2).
Лучистая энергия ниже (70%) при подогреве пола, чем энергия потолка с точки зрения нагрева (85%), поскольку эффект конвекции более выражен в случае панелей напольного отопления.
Достаточно высокая средняя температура пространства, нагретого лучистым излучением, тем не менее, несколько ниже температуры воздуха в пространстве с конвекционным нагревом. Но этот фактор выражается преимуществом, когда относительная влажность зимой имеет показатель более комфортный в первом случае.
Методы расчёта под эксплуатацию оборудования
Передача тепла между водой и пространством различна для каждой конфигурации системы. Поэтому оценка теплопроводности крайне важна для правильной разработки проекта. Два метода расчета, включенные в документ ISO 11855, — это упрощенные методы расчета в зависимости от типа системы, метода конечных элементов или метода конечных разностей.
Упрощенные методы расчета специфичны для заданных типов систем в граничных условиях. Исходя из рассчитанной средней температуры поверхности при заданной температуре распределенной жидкости и рабочей температуры в пространстве, можно определить стационарную теплоемкость.
Таким образом, тепловая мощность систем напольного, настенного и потолочного отопления определяется следующими расчётами. Для напольного нагрева и потолочного охлаждения:
Q = 8,92*(TO — TSM)
Нагрев стен и охлаждение стен:
Q = 8,0*(TO — TSM)
Потолочный нагрев:
Q = 6,0*(TO — TSM)
где: Q — теплоемкость, Вт/м2; TO — рабочая (комфортная) температура пространства, ºC; TSM — средняя температура поверхности, ºC.
Тепловая мощность для пола и потолка составляет до 100 Вт/м2 и 40 Вт/м2, соответственно. Для поддержания стабильной тепловой среды система управления должна поддерживать баланс между коэффициентом усиления тепла здания и подаваемой энергией от системы.
Сравнительный анализ производительности лучистых панелей
Пусть есть условное исследуемое здание, проект отопления которого смоделирован при помощи программного обеспечения (к примеру, TRNSYS). Внутри установлены нагревательные лучистые панели:
- подогрева пола,
- настенного нагрева,
- потолочного отопления.
Полное панельное отопление имеют общую площадь 160 м2. Стеновая панель нагрева расположена на внешней стене, имеет общую площадь поверхности 177 м2. Панель потолочного отопления расположена на потолке первого и второго этажа дома, имеет общую площадь 160 м2.
Потолочная панель отопления работает как потолочный нагрев нижнего этажа и как подогрев пола верхнего этажа. Общая площадь конструкции составляет 80 м2. Основным компонентом нагревательных панелей является труба, внутри которой течет горячая вода.
Температура на входе горячей воды имеет значение 37°C, типичное для всех систем отопления. Для нагрева всех лучистых панелей используется классический котёл, работающий на природном газе. Насос циркуляции воды электрический.
Первичное потребление энергии системой отопления
Потребление первичной энергии E за отопительный сезон анализируемого здания рассчитывается с использованием следующего уравнения:
E = Eq + Eel / Hel
где: Eg — потребление природного газа за отопительный сезон; Eel — потребление электрической энергии за отопительный сезон; Hel (0,4) – коэффициент эффективности выработки электроэнергии.
Анализ эксплуатационных расходов
Общая стоимость эксплуатации Ct для запуска системы отопления рассчитывается с использованием следующего уравнения:
Ct = Cel * Eel + k * Cg * Eq
где: Cel — удельная стоимость электроэнергии; Cg — удельная стоимость природного газа; k — коэффициент коррекции потребления природного газа.