Wykorzystanie gazu do ogrzewania budynków przez promieniowanie
advertisement
Dr inż. Maciej Chaczykowski Zakład Inżynierii Gazownictwa Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Warszawska Wykorzystanie gazu do ogrzewania budynków przez promieniowanie Podstawowym warunkiem energooszczędnego ogrzewania budynków przy pomocy tradycyjnych systemów ogrzewania jest wyposażenie ich w dobrą termoizolację. W przypadku wielkokubaturowych budynków przemysłowych ze zwiększoną wymianą powietrza lub zwiększonymi stratami ciepła, nakłady finansowe przeznaczone na ogrzanie pomieszczeń znacząco rosną. Dążąc do uzyskania dostatecznie dobrych warunków cieplnych wewnątrz pomieszczeń przy ograniczonych kosztach ogrzewania oraz zmniejszonej emisji szkodliwych substancji, powinniśmy rozważyć zastosowanie ogrzewania przez promieniowanie. Dla pomieszczeń wielkokubaturowych, czyli takich, w których wysokość oraz kubatura przekraczają odpowiednio 5m i 5000 m3, jednymi z najefektywniejszych urządzeń grzewczych są gazowe promienniki podczerwieni. Rynek gazowych urządzeń grzewczych wykorzystujących tą technologię jest stosunkowo nowym rynkiem. Dopiero w latach siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych i w Europie Zachodniej wystąpiło znaczne zainteresowanie tą techniką ogrzewania obiektów. Ogrzewanie promieniowaniem podczerwonym jest szczególnie godnym polecenia rozwiązaniem przy dużej kubaturze budynku i sprawdza się tam, gdzie izolacja termiczna ścian i stropów jest zła lub praktycznie nie istnieje, oraz wszędzie tam, gdzie wymagane jest ogrzewanie tylko określonych stref powierzchni. Zjawiska fizyczne Promieniowanie między dwoma nie stykającymi się ciałami o różnych temperaturach polega na przejściu ciepła w postaci fali elekromagnetycznej z ciała o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej. Ilość wymienionej energii zależy od właściwości powierzchni ciał, ich wzajemnego ustawienia, absorpcji ośrodka w którym się znajdują. Ciało emitujące energię przez promieniowanie obniża swoją temperaturę, a ciało przyjmujące promieniowanie staje się cieplejsze. Wymiana energii między ośrodkami następuje aż do momentu, gdy oba ciała osiągną jednakową temperaturę. Jeżeli różnica temperatur jest stała to ilość przekazywanej energii jest stała w czasie. Jest oczywistym, że ze wzrostem temperatury emitera wzrasta strumień przekazywanego ciepła, a zatem wzrasta natężenie promieniowania. Promieniowanie cieplne emitowane ze źródeł grzejnych obejmuje fale elektromagnetyczne z zakresu od 0,8 do 4,0 µm. Udział ilościowy poszczególnych form wymiany ciepła przy ogrzewaniu promiennikami podczerwieni kształtuje się następująco: przewodzenie 5 %, konwekcja 10 %, promieniowanie 75-85 %. Ogrzewanie promiennikowe Podstawową wadą tradycyjnego systemu ogrzewania dużych pomieszczeń w oparciu o konwekcję jest fakt, że ogrzewamy również górne strefy budynków, które nie są wykorzystywane (rys. 1). Wśród nowoczesnych gazowych systemów grzewczych pozwalających na eliminację tej wady jest ogrzewanie przez promieniowanie, polegające na spalaniu gazu w promiennikach i emitowaniu promieniowania cieplnego z ich powierzchni. Wytworzone promieniowanie cieplne wypełnia obszar pod promiennikami, ogrzewając przedmioty, ludzi, przegrody budowlane itd. Obecnie na rynku polskim dostępne są dwa rodzaje urządzeń: Niskotemperaturowe promienniki rurowe, w których spalanie odbywa się wewnątrz rury, a jej powierzchnia nagrzewa się do temperatury 350 – 450 oC. Spaliny odprowadzane są za pomocą wentylatora, który powoduje powstanie podciśnienia wydłużającego płomień w rurze. Wysokotemperaturowe promienniki panelowe z otwartą komorą spalania, złożone z płytek ceramicznych nagrzewanych do temp. 950 oC. Urządzenia nie posiadają odprowadzenia spalin. Promiennik nie ogrzewa bezpośrednio powietrza, a jedynie powierzchnie przedmiotów na które skierowane jest promieniowanie. Otaczające powietrze ogrzewa się dopiero od powierzchni tych elementów. W zasięgu promiennika odczuwalna temperatura jest kilka stopni wyższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu. Ogólna charakterystyka ogrzewania promiennikami przedstawiona została w tablicy 1. Rys. 1. Rozkład temperatury w pomieszczeniu w zależności od wysokości dla różnych systemów ogrzewania. Tablica 1. Ogólna charakterystyka ogrzewania promiennikami. Minimalna wysokość montażu Wymagana termoizolacja pomieszczeń Ograniczona emisja zanieczyszczeń Ogrzewanie określonych stref pracy Unoszenie pyłów Możliwość stosowania w pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych Możliwość stosowania w pomieszczeniach o znacznym zapyleniu oraz zawierających substancje łatwopalne i wybuchowe Równomierny pionowy rozkład temperatury Urządzenie powoduje hałas Potrzebna jest częsta konserwacja Wysokość pomieszczenia Czas po którym odczuwamy ciepło 4,0 m nie tak tak nie nie nie tak nie nie min. 5 m od razu po włączeniu Niskotemperaturowe promienniki rurowe W promiennikach rurowych elementami promieniującymi są rury wykonane ze stali węglowej i pokryte czarną emalią, wewnątrz których cyrkulują spaliny. Mogą być dostosowane do pośredniego bądź bezpośredniego odprowadzania spalin, przy czym doskonalszą konstrukcją są gazoszczelne, rurowe promienniki podczerwieni, wyposażone w elektryczny wentylator wyciągowy. Zewnętrzna powierzchnia rury rozgrzewa się i emituje ciepło za pośrednictwem promieni podczerwonych, które kierowane są na posadzkę pomieszczenia. Ciepło odczuwane jest w dolnej, a więc użytkowanej strefie pomieszczenia. Podstawowym elementem promiennika rurowego (rys. 2) jest rura grzewcza (1), wyposażona w palnik (3), oraz wentylator (7). Wnętrze rury grzewczej pełni funkcję komory spalania. Palnik gazowy (3) umieszczony jest w hermetycznej obudowie (2). Gaz mieszany jest z powietrzem w specjalnie ukształtowanym mieszalniku w wyniku podciśnienia wytworzonego przez wentylator spalin (7). Rys. 2 Schemat budowy promiennika rurowego, 1 – rura promieniująca, 2 – obudowa palnika, 3 – palnik, 4 – presostat, 5 – zestaw zaworu elektromagnetycznego i stabilizatora ciśnienia, 6 – urządzenie kontrolne i zabezpieczające, 7 – wentylator spalin. Zapłon gazu następuje we wnętrzu rury grzewczej stanowiącej komorę spalania w momencie przekazania przez termostat sterownikowi sygnału o potrzebie ogrzewania pomieszczenia. Komora spalania wypełniona jest gorącymi gazami spalinowymi, które zanim zostaną usunięte przez wentylator na zewnątrz pomieszczenia oddają ciepło ściankom rury grzewczej. Zewnętrzna powierzchnia rury w okolicach palnika osiąga temp. ok. 420 oC. Wmiarę oddalania się od palnika temperatura obniża się osiągając na końcu ok. 320 oC. Podtawowymi elementami zabezpieczającymi i sterującymi pracą promiennnika są: sterownik, zawór gazowy, czujnik różnicy ciśnienia, wentylator spalin. Sterownik ma za zadanie sterowanie zapłonem palnika. Po otrzymaniu sygnału z czujnika temperatury w pomieszczeniu sterownik kontroluje ciśnienie w komorze spalania, daje sygnał do przedmuchu komory spalania i wyzwala iskrę potrzebną do uruchomienia palnika. Zawór gazowy pełni funkcje regulacji ciśnienia wyjściowego. Wyposażany jest w filtr do gazu. Czujnik różnicy ciśnienia pozwala przerwać pracę urządzenia w przypadku braku wystarczającego ciągu wentylatora spalin wywołanego zatorem w obwodzie spalania lub jego awarią wentylatora. Wentylator służy do zasysania spalin z komory spalania i wydmuchu na zewnątrz przez przewody spalinowe. Materiały użyte do produkcji płaszczy rur promieniujących powinny charakteryzować się niską zdolnością do odbijania promieniowania podczerwonego. Metalami posiadającymi taką cechę są m.in. cyna, cynk, chrom, stal, wolfram, stąd właśnie emaliowana stal znalazła zastosowanie przy budowie rurowych promienników podczerwieni. Rury grzewcze osłonięte są od góry aluminiowymi reflektorami, których zadaniem jest kierowanie promieniowania na ogrzewaną strefę. Reflektory stanowią integralną część promienników i mogą być wyposażone w izolację termiczną z wełny mineralnej. Materiały użyte na reflektory powinny charakteryzować się dużą zdolnością do odbijania promieniowania, zwłaszcza podczerwonego. Największą zdolnością odbijania promieniowania charakteryzują się takie metale jak miedź, platyna, srebro, złoto, polerowane aluminium, przy czym zdolność odbicia w małym stopniu zależy od długości fali promieniowania podczerwonego. Spośród nich: srebro, złoto, platyna, a zwłaszcza miedź znacznie gorzej odbijają promieniowanie z zakresu widzialnego niż z zakresu podczerwonego. Polerowane aluminium ma w przybliżeniu jednakowe promieniowanie obydwu zakresów, stąd znalazło najszersze zastosowanie przy budowie reflektorów oraz panelowych promienników podczerwieni. Im materiał z którego wykonano reflektor odbija więcej promieniowania, tym mniej się nagrzewa, czyli w mniejszym stopniu promiennik pochłania energię promieniowania w sposób bezużyteczny. Rury promieniujące mogą być podłączone do przewodów odprowadzających spaliny na zewnątrz pomieszczenia. Promienniki rurowe podwiesza się do konstrukcji dachu. Istnieje możliwość sytuowania promiennika w poziomie lub ukośnie, odchylając maksymalnie o 30o. Promienniki rurowe mogą być łączone w systemy centralne, złożone ze szczelnie połączonych rur o dużej średnicy. System centralny wyposażony jest w jeden wentylator odprowadzający spaliny z szeregowo połączonych palników. Palniki umieszcza się w miejscu, gdzie temperatura spalin osiąga 320 oC. Promieniowanie również kierowane jest na powierzchnie przeznaczone do ogrzewania za pośrednictwem reflektorów. Komory spalania palników wykonane są z żeliwa i połączone rurami grzejnymi za pomocą złączy kołnierzowych. Dobór ilości urządzeń uzależniony jest od zapotrzebowania budynku na moc cieplną, uwzględniając wentylację oraz straty przez przenikanie. Wysokość montażu promienników rurowych zależy od mocy urządzeń oraz od wymaganej temperatury w ogrzewanej strefie. Niezależnie od wysokości instalacji natężenie promieniowania powinno rozkładać się równomiernie. Na rynku istnieje wiele firm produkujących promienniki rurowe. WPolsce oferowane są m.in. promienniki rurowe Heat Ray australijskiej firmy Celmec International. Komora spalania ma kształt zamkniętej, długiej , cienkościennej rury. Ciepło z dolnego fragmentu rury dociera bezpośrednio do ogrzewanej części pomieszczenia, natomiast promieniowanie z górnej powierzchni rury odbija się od reflektora i powraca w dół ogrzewając przewidziane miejsce. Wzależności od mocy zainstalowanego palnika, długość rury grzejnej może wynosić od 6m do 24 m. Istnieje typ rur prostych (modele SP) lub rur „U” (modele UP), gdzie pod jednym reflektorem zainstalowane są dwie równoległe rury (Rys. 3). Grzejniki typu UP zajmują mniej miejsca i charakteryzują się większą ilością oddawanego ciepła na metr długości promiennika. Rys. 3 Promiennik rurowy firmy Celmec International. Gazowe promienniki podczerwieni Celmec International posiadają certyfikat Instytutu Górnictwa Naftowego i Gazownictwa w Krakowie. Innym przykładem promienników rurowych są promienniki Infra włoskiej firmy Systema. Od 1996 r. firma wykonała szereg instalacji promienników na terenie całego kraju. Moduły Infra mają zwartą budowę, są ciche oraz łatwe w eksploatacji. Firma Systema wprowadziła na rynek model promiennika wyposażonego w urządzenie do recyrkulacji spalin. Wysokotemperaturowe promienniki panelowe W promiennikach panelowych gaz spalany jest w temperaturze około 1000 oC na powierzchni panela ceramicznego. Popularnie urządzenia te są nazywane „promiennikami jasnymi” ponieważ podczas ich działania pojawia się efekt wizualny – żarzenie ceramiki, która emituje promieniowanie cieplne. Emisja spalin do pomieszczenia wymaga przewidzenia dodatkowej wentylacji obiektu. Promienniki panelowe w porównaniu z rurowymi mają mniejszą strefę wpływu promieniowania. Nie wymagają odprowadzenia spalin, dlatego ich stosowanie jest szczególnie wygodne w pomieszczeniach, w których znajdują się suwnice. Charakterystycznym elementem promiennika (rys. 4) jest panel ceramiczny (5) złożony z perforowanych płytek, na którego zewnętrznej powierzchni spala się mieszanina gazu z powietrzem wytworzona w komorze zmieszania (4). Powierzchnia panelu nagrzewa się do temperatury 900 – 980 oC. Emitowane promieniowanie podczerwone odbija się od powierzchni reflektora (6) w kierunku powierzchni przewidzianej do ogrzania. Pracę promiennika nadzoruje sterownik (1). Dopływ gazu do palnika zabezpiecza zespół regulatora ciśnienia i zaworu elektromagnetycznego (2). Pod panelem umieszczona jest stalowa siatka stabilizująca płomień (7). Zapłon gazu zapewnia elektroda zapłonowa. W przypadku zaniku spalania elektroda jonizacyjna (8) odcina dopływ gazu. Rys. 4 Schemat wysokotemperaturowego promiennika panelowego: 1 – sterownik, 2 – regulator ciśnienia i elektromagnetyczny zawór gazowy, 3 – dysza palnika gazowego, 4 – komora zmieszania gazu z powietrzem, 5 – panel promieniujący złożony z perforowanych płytek ceramicznych, 6 – reflektor, 7 – siatka stalowa stabilizująca płomień, 8 – zespół elektrody zapłonowej i zabezpieczenia jonizacyjnego płomienia. Wysokość montażu promienników panelowych różni się od wysokości montażu promienników rurowych, gdyż panel ogrzewający nagrzewa się do znacznie wyższej temperatury. Powietrze potrzebne do spalania pobierane jest z pomieszczenia, a także produkty spalania przekazywane są do pomieszczenia. Fakt ten, jak i wysoka temperatura panelu, ograniczają zakres ich stosowania. Promienniki panelowe są proste w konstrukcji i tańsze od rurowych. Instalacja ogrzewania przy zastosowaniu promienników powinna być tak zaprojektowana i wykonana, aby stężenie CO2 w powietrzu otaczającym stanowiska robocze nie przekroczyło wartości dopuszczonych normami (PN-74/2 – 04095/01). Jeżeli poziom wymiany powietrza drogą infiltracji nie spełnia tych wymagań, należy wykonać dodatkowe otwory wentylacji nawiewno-wywiewnej. Stosownym rozwiązaniem jest doprowadzenie powietrza za pomocą wentylacji nawiewnej oraz zastosowanie nadciśnieniowej wentylacji wywiewnej. Ograniczony jest w ten sposób przepływ chłodnego powietrza nieszczelnościami ścian i otworów i polepsza się komfort cieplny w pomieszczeniu. Przykładem promienników panelowych oferowanych na polskim rynku są promienniki typu SR II francuskiej firmy Solaronics. Promienniki SR II (rys. 5) mają moc od 3,3 – 16,7 kW i posiadają dwa palniki, pozwalające na pracę dwustopniową (100 % lub 50 % mocy nominalnej). Liczba pracujących palników nie na wpływu na zasięg promieniowania. Rys. 5. Promiennik panelowy SR II firmy Solaronics. Zalety i wady promienników podczerwieni Wymienione systemy ogrzewania z zastosowaniem promienników podczerwieni posiadają wiele zalet. Najważniejsze z nich to: • Możliwość zmniejszenia kosztów ogrzewania, w porównaniu z tradycyjnymi instalacjami ogrzewczymi, szczególnie w budynkach ze słabo izolowanymi ścianami i stropami oraz o znacznej wymianie powietrza. • Możliwość kierowania strumienia ciepła w określone miejsce pozwala na ogrzewanie dużych pomieszczeń bez konieczności budowania przegród. Możliwe jest ogrzewanie różnych stref w różnych godzinach pracy, co pozwala ograniczyć koszty eksploatacyjne instalacji ogrzewczej. • Mała bezwładność promienników, pozwalająca na oszczędność zużycia gazu, gdyż niemal natychmiast po włączeniu odczuwane jest ciepło. • Ujemny i bliski zeru gradient temperatury w stosunku do tradycyjnych urządzeń, ponieważ 80 % energii produkowanej przez promiennik wydzielane jest w postaci ciepła radiacyjnego. Ciepło radiacyjne ogrzewa bezpośrednio osoby i przedmioty, pozwalając na znaczne obniżenie temperatury powietrza w górnej części pomieszczenia. • Brak ruchów powietrza i pyłów. • Instalacja nie wymaga ochrony przed zamarzaniem - możliwość okresowego stosowania instalacji ogrzewczej. • Eliminacja kosztów budowy kotłowni oraz układów rozprowadzania ciepła w budynku. • Mała emisja zanieczyszczeń do atmosfery. • Prosta regulacja systemu, za pomocą sterowników mikroprocesorowych połączonych z czujnikiem temperatury. Systemy promiennikowe mają niewiele ograniczeń zakresu stosowania. Najpoważniejszą ich wadą jest możliwość instalowania jedynie w pomieszczeniach o wysokości minimum 5 m, przy czym minimalna wysokość montażu wynosi 3,5 – 4,0 m. Promienników w zasadzie nie można stosować w budynkach mieszkalnych i biurowych, ze względu na niski poziom komfortu cieplnego przy silnych, punktowych źródłach ciepła. Promienniki rurowe obniżają wilgotność powietrza w pomieszczeniu. Nie wolno instalować promienników w pomieszczeniach łatwopalnych lub miejscach, w których przechowywane są materiały łatwopalne, a także w pomieszczeniach mających połączenia drzwiami lub otworami z pomieszczeniami, w których są zgromadzone środki łatwopalne. Promienników zasilanych gazem płynnym propanowym nie wolno instalować w pomieszczeniach z podłogą położoną poniżej poziomu gruntu. W otworach drzwi zewnętrznych pomieszczenia ogrzewanego tym gazem nie powinno być progu. Literatura [1] Antoniewicz B., Koczyk H.: Gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni; Ogrzewnictwo praktyczne 8/1999 [2] Bąkowski K. Instalowanie i uruchamianie promienników rurowych; Rynek gazowy 9/1999 [3] Celińska E.: Gazowe promienniki podczerwieni; Rynek gazowy 1/1999 [4] Chmielowski A., Nowicki J., Rubik M.: Ogrzewanie, wentylacja, termorenowacja warsztatów, salonów wystawowych, magazynów, budynków przemysłowych, Branżowy Ośrodek Informacji Naukowej i Technicznej-Instal, Warszawa 1997. [5] Kochański A.: Promiennikowe ogrzewanie obiektów wielkokubaturowych; Rynek instalacyjny 3/2000. [6] Kowalczyk M.: Ogrzewanie obiektów promiennikami podczerwieni, Solaren-Bis, Gdańsk 1999. [7] Prochera G.: Gazowe ogrzewanie promiennikowe; Ogrzewnictwo praktyczne 1/1999. [8] Sitarska K.: Ogrzewanie gazem wielkokubaturowych obiektów przemysłowych, metodą promieniowania i konwekcji wymuszonej – Praca dyplomowa, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, 2002. [9] Materiały informacyjne firm Celmec International – Australia, Solaronics – Francja.
