Promienniki podczerwieni

Promieniowanie cieplne składa się z fal elektromagnetycznych tak jak fale radiowe i światło widzialne. Ciepło przesyłane za pomocą fal elektromagnetycznych jest odczuwalne w zależności od długości fal.

Przesył ciepła.
Przepływ ciepła zawsze następuje od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.
Jest pięć podstawowych sposobów przesyłu energii cieplnej:
- przewodzenie
- konwekcja
- promieniowanie
- przenikanie masy
- przemiana fazowa.
Przewodzenie następuje w obrębie jednego ciała. Ciepło jest przesyłane z cieplejszych do chłodniejszych partii tego samego ciała. Ciepło może być również przesyłane za pomocą przewodzenia z jednego do drugiego ciała, jeżeli jest bliski kontakt pomiędzy tymi dwoma ciałami.
Konwekcja ma miejsce, gdy ciepło jest przekazywane z płynu do ciała stałego (lub vice versa).
Promieniowanie jest to przesyłanie strumienia ciepła z jednego ciała do innego bez ogrzewania „medium” znajdującego pomiędzy tymi dwoma ciałami np. powietrze nie bierze udziału w tym procesie. Słońce ogrzewa Ziemię bez ogrzewania atmosfery pomiędzy tymi ciałami.
Przenikanie masy ma miejsce, kiedy: „zawartość” ciepła w płynie (entalpia) zmienia się, gdy płyn przepływa przez otoczenia o różnych temperaturach niż jego własna.
Przemiana fazowa jest to przepływ energii cieplnej w wyniku zjawiska parowania lub skraplania. Aby nastąpiło zjawisko parowania określona ilość ciepła musi być dostarczona, natomiast w przypadku skraplania, odwrotnie, część energii cieplnej jest pozyskiwana.
W praktyce, urządzenia grzewcze używane do ogrzewania pomieszczeń, przesyłają energię cieplną w kombinacji konwekcji i radiacji, w zależności od temperatury powierzchni elementy grzewczego.
W standardowych elementach, napełnionych wodą grzewczą, zjawisko konwekcji zajmuje ok. 70-80% wydajności grzewczej urządzenia, podczas gdy pozostała część energii jest przenoszona w drodze promieniowania. Natomiast w promiennikach podział ten jest odwrotny.
Promieniowanie cieplne składa się z fal elektromagnetycznych tak jak fale radiowe i światło widzialne. Ciepło przesyłane za pomocą fal elektromagnetycznych jest odczuwalne w zależności od długości fal. Poniżej - część spektrum elektromagnetycznego:
promieniowanie UV - 1 nm
światło widzialne - 1µm
promieniowanie podczerwone - 1mm
fale radiowe - 1 m
Promienniki podczerwieni są podzielone na grupy w zależności od tego, jaką temperaturę posiadają. Jedna grupa to promienniki wysyłające krótkofalowe promieniowanie z temperaturą źródła ok. 750°, druga grupa to promienniki z temperaturą ok. 100°C wysyłające długofalowe promieniowanie. Promienniki te przeznaczone są do ogrzewania niskich pomieszczeń. Pomiędzy tymi dwiema grupami znajdują się promienniki z temperaturą źródła ok. 300°C, wysyłające promieniowanie o średniej długości fali.
Ogrzewanie za pomocą promienników podczerwieni może dawać wiele przewag w stosunku do innych typów ogrzewania. Wypromieniowane fale przebiegają bez trudności poprzez powietrze i nie emitują ciepła aż do momentu, w którym osiągną powierzchnie takie jak: podłoga, ściany. Powierzchnie te emitują następnie ciepło do otoczenia za pomocą konwekcji tym samym ogrzewana jest powierzchnia przebywania ludzi – strefa pracy. Jednocześnie możliwe jest uniknięcie zbierania się ciepłego powietrza w górnych częściach pomieszczenia. Część wypromieniowanego ciepła może być również absorbowana poprzez ludzi znajdujących się w strefie działania promiennika.
Efekt ten stwarza możliwość obniżenia temperatury powietrza o 2-3°C w stosunku do ogrzewania konwekcyjnego, podczas gdy rzeczywiste odczucie komfortu jest na tym samym poziomie. Oznacza to, że poprawnie zaprojektowany system z użyciem promienników jest energooszczędny.
Definicje
W związku z planowaniem użytkowania promienników oraz koniecznością czytania katalogów, jest bardzo ważnym zdefiniowanie, co jest rozumiane przez poszczególne pojęcia:
- ciepło radiacji (promieniowania)
- intensywność (natężenie) promieniowania
- temperaturowy wkład promieniowania
- asymetria promieniowania
- temperatura radiacyjna
- temperatura powietrza
- odczuwalna temperatura
- gradient temperaturowy.
Ciepło radiacji wydzielane z panelu radiacyjnego jest wprost proporcjonalne do temperatury bezwzględnej w 4 potędze. Oznacza to, że promienniki mogą być produkowane w bardzo małych rozmiarach i cały czas będą posiadały zdolność emitowania znacznych wartości energii cieplnej. Ciepło wypromieniowane z gorącej powierzchni może być obliczone na podstawie następującego wzoru:
Ps = A · B · E (Ts4 – Tc4) [W]
A - pole powierzchni panelu grzewczego
Ts – temperatura bezwzględna panelu
To – temperatura bezwzględna „otoczenia”
E – zdolność emisyjna
B – stała Stefan’a-Boltzman’a
Intensywność promieniowania pokazuje jak bardzo ciepło promieniowania zostaje odbierane przez powierzchnie lub ciało ludzkie na 1 m2. Jeśli osoba jest wystawiona na działanie promiennika zwiększona intensywność promieniowania zwiększy poziom temperaturowy w części ciała, która jest wyeksponowana na działanie promiennika. Część ciała, która pozostaje w cieniu nie odczuje żadnego wzrostu temperaturowego. Można to opisać za pomocą następującego wzoru
Qs = (αk + αs)·ΔT [W]
Qs – intensywność promieniowania prostopadła do powierzchni W/m2
ak – współczynnik przenikania ciepła w przypadku konwekcji
as – współczynnik przenikania ciepła w przypadku radiacji
DT – wzrost temperatury spowodowany dodatkowym ciepłem wynikającym z promieniowania
Płaski panel radiacyjny emituje promieniowanie w zakresie 180°. Promieniowanie jest najmocniejsze na powierzchni prostopadłej do panelu ale znaczące ilości energii emitowane są również na boki. Jeżeli wymagane jest bardziej skoncentrowane promieniowanie, panel grzewczy może być wyposażony w specjalne deflektory ukierunkowujące.
Natężenie promieniowania maleje wraz z odległością od promiennika. Z małych źródeł (punktowe źródło takie jak pojedynczy promiennik) natężenie maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości. Np. jeżeli odległość zostanie podwojona to intensywność promieniowania zmaleje do jednej czwartej. Dla długich źródeł promieniowania (np. cały rząd promienników) natężenie promieniowania maleje liniowo z odległością. Jeżeli dystans zostanie podwojony to natężenie promieniowania spadnie do jednej drugiej.
Asymetria promieniowania i temperaturowy wkład promieniowania najprościej jest wytłumaczyć posługując się ilustracją. Wyobraźmy sobie osobę stojącą w pokoju, w którym wszystkie powierzchnie i powietrze posiadają taką samą temperaturę 20°C. W pewnym momencie montujemy promiennik podczerwieni na jednej ze ścian i skierowujemy go na tą osobę. W tej odległości temperatura jaką odczuwa człowiek stojący w zasięgu promiennika jest, powiedzmy, na poziomie 35°C. W związku z powyższym poprawnym będzie stwierdzenie, że osoba jest wyeksponowana na 15°C asymetrie promieniowania lub, że promiennik jest przyczyną wystąpienia 15°C temperaturowego wkładu promieniowania.
Akceptowalna asymetria temperaturowa była niejednokrotnie dyskutowana. Okazuje się, że asymetria na poziomie 12 stopni nie powoduje jakichkolwiek problemów dla ludzi ubranych w zwykłe kombinezony robocze. Zaleca się aby max. Poziom asymetrii wynosił 15 stopni. Tabela poniżej pokazuje zależność pomiędzy poziomem asymetrii a zalecanym nakładem ciepła promieniowania na 1m2 powierzchni podłogi. Inne badania pokazują, że ludzie akceptują różne poziomy asymetrii promieniowania w zależności od przyczyny, która wywołała asymetrię. Np. granica asymetrii większości ludzi jest niższa w przypadku promieniowania z sufitu. Wg ISO 7730 zalecany limit asymetrii to 5 stopni poniżej „gorącego” sufitu. Opierając się na tych zaleceniach sugerujemy, iż w zależności od typu
budynku można dopuścić asymetrię na poziomie 5-10 stopni.


Temperatura powietrza jest to temperatura powietrza przy braku działania promiennika.
Odczuwalna temperatura jest to temperatura, którą odczuwa człowiek i jest ona kombinacją temperatury powietrza i temperatury radiacyjnej. W praktyce odczuwalna temperatura może być obliczana wg wzoru
Top = Ti + ΔTs/2
Top – temperatura odczuwalna
Ti – temperatura powietrza
Ts – temperatura radiacyjna
ΔTs – temperaturowy wkład promieniowania
To jest dokładnie ten współczynnik, który jest kluczem do oszczędności energii, kiedy używamy promienników. Tak jak to pokazuje wzór jest możliwe obniżenie temperatury powietrza podczas gdy ciągle odczuwamy wymaganą odczuwalna temperaturę, dzięki efektowi temperatury radiacyjnej. Jako regułę można przyjąć, że obniżenie temperatury o 1°C daje 5% redukcję ilości energii zużytej na ogrzewanie obiektu.
Następna oszczędność energii wynika z minimalnego pionowego gradientu temperatury. W bardzo wysokich budynkach, przy ogrzewaniu konwekcyjnym, mogą zbierać się bardzo duże masy powietrza pod sufitem, gdzie zazwyczaj nie ma większego znaczenia poziom temperaturowy.
Planowanie – zwymiarowanie systemu ogrzewania dla fabryki lub budynku biurowego.
Wyobraźmy sobie, że stoimy przed problemem planowania systemu grzewczego dla fabryki lub budynku biurowego, w którym pola pracy są rozrzucone wewnątrz posesji.
Pola pracy muszą być, dlatego zdefiniowane jako całkowita powierzchnia podłogi i sięgające 2 m. ponad podłogą. Wymagana jest temperatura odczuwalna na poziomie 18 stopni 1 m. nad podłogą w poszczególnych miejscach pracy. Pomiędzy miejscami pracy dopuszczalna jest niższa temperatura. W polu pracy jest dozwolony maksymalny pionowy gradient temperatury na poziomie 5 stopni.
Budynek posiada następujące dane techniczne:
długość - 40 m
szerokość - 20 m
wysokość - 4 m
powierzchnia okien - 80 m2
wejścia, bramy - 30 m2.
Budynek jest zlokalizowany w Warszawie, gdzie temperatura obliczeniowa wynosi np. –20 stopni. Budynek jest wybudowany zgodnie ze statusowymi wymaganiami współczynników przenikania k. Budynek posiada mechaniczną wentylację.
Wybór systemu
W tym przypadku byłoby mądrze zastosować ogrzewania poprzez promienniki. W powiązaniu z rozległą wentylacją promienniki mają szczególnie dużo zalet. Inny sposób ogrzewania mógłby w tym przypadku doprowadzić do znacznego pionowego gradientu temperatury. Dobrym wyborem w tym przypadku byłyby promienniki typu Elztrip (montowane w linii grzewczel HL - heat line), które są bardzo dobre w przypadku budynków o wysokości 3 - 15m.
Maksymalne ograniczenie ze względu na asymetrię promieniowania.
Aby to zweryfikować musimy sprawdzić tabele temperatury radiacji dla wybranych wstępnie promienników. Tabele poniżej pokazują temperatury radiacji dla Elztripów razem z temperaturowym wkładem radiacyjnym w różnych dystansach od promiennika. To sprawdzenie będzie determinującym czynnikiem w decyzji ilości dopuszczalnej mocy na promiennik.

Z tabeli widzimy, że 1 m od promiennika temperaturowy wkład radiacyjny bezpośrednio pod urządzeniem wynosi 23,2. 2 m od promiennika wkład radiacyjny spada do 10,8 stopnia. To jest ciągle ponad naszym ograniczeniem 10 stopni.

Odpowiednie dane są na poziomie 17,2 i 9,5 stopnia. Druga temperatura spełnia wymogi normy a więc EZ 12 jest dobrym wyborem spełniającym kryterium asymetrii promieniowania (można dyskutować biorąc pod uwagę temp. powietrza).
Kontrolowanie odczuwalnej temperatury.
Odczuwalna temperatura została określona na poziomie 18 stopni. Maksymalny 5-cio stopniowy pionowy gradient temperatury w polu pracy jest dopuszczalny. Aby to sprawdzić musimy sprawdzić jak temperaturowy wkład radiacji maleje wraz ze wzrostem odległości (pionowo i poziomo) od promiennika. To jest ważne aby móc wyznaczyć odległość pomiędzy promiennikami i jaka temperatura powietrza jest dopuszczalna.
Najbardziej niekorzystna sytuacja byłaby wtedy gdy urządzenia będą rozmieszczone dokładnie co 6m. temperaturowy wkład radiacji 2m. pod promiennikiem zmieniałby się pomiędzy 9,5 a 1,0 stopień. Powiązanie pomiędzy odczuwalną temperaturą, temperaturą powietrza i temperaturowym wkładem radiacji jest pokazane za pomocą znanego nam wzoru:
Top = Ti + ΔTs/2
Badanie przeprowadzone w temperaturze powietrza 15 stopni.
2m bezpośrednio pod promiennikiem:
Top = 15 + 9,5/2 = 19,75
2m pod i 3m z boku
Top = 15 + 1/2 = 15,5
4m bezpośrednio pod promiennikiem
Top = 15 + 2,5/2 = 16,25
4m pod i 3m z boku
Top = 15 + 0,6/2 = 15,3
W przypadku rozmieszczenia promienników co 6m. temperatura w polu pracy będzie się zmieniać pomiędzy 15,3 a 19,75 stopni. Najbardziej niekorzystny pionowy gradient wyniósłby 4,45 stopnia oznacza to tym samym, że ograniczenie pionowego gradientu byłoby całkowite. Poprzez umieszczenie promienników bezpośrednio nad stanowiskiem pracy widzimy, że osiągnęlibyśmy satysfakcjonujący, wymagany poziom 18 stopni 1m. nad podłogą. Zdaje się być rozsądne zastosowanie promiennika EZ 12.
Obliczenie wymaganej mocy.
Powyższe obliczenia dowiodły, że za pomocą promienników podczerwieni możemy zredukować temperaturę powietrza tym samym osiągając znaczne oszczędności energii w porównaniu do innych źródeł grzewczych. W tym przypadku było wystarczające ogrzanie powietrza do temperatury 15 stopni.
W tabeli poniżej podano statyczne straty ciepła:

Starty wentylacji (0,2 wymiany na godz.)
Q=n x Cp x V x (tr-to)=0,2 x 0,335 x 2880 x 35 = 6,566 kW
Całkowita strata ciepła 26,880 + 6,566 = 33,446 =33,4 kW
Instalacja.
Aby pokryć całkowite zapotrzebowanie musimy zainstalować 28 sztuk EZ 12, każdy po 1,2 kW. Zalecamy rozmieszczenie promienników tak jak pokazano to na rysunku.

Oznacza to, że promienniki będą rozmieszczone co ok. 5m. Rozmieszczenie to jest bardziej satysfakcjonujące niż co 6m. patrząc na zmianę odczuwalnej temperatury i gradient temperatury w porównaniu do poprzedniej kalkulacji.
inż.Adam Komorowski