Инфракрасные обогреватели как альтернатива централизованного отопления в зданиях

В настоящее время для обеспечения тепловой энергией как административных, так и жилых зданий чаще всего используются системы водяного отопления. Эти системы обеспечивают постоянную температуру в помещении, соответствуют нормам температуры поверхности для отопительных приборов, основанным на санитарных и гигиенических стандартах, и поддерживают бесшумную циркуляцию охлаждающей жидкости по трубопроводам. Основными контролируемыми факторами в таких системах являются температура охлаждающей жидкости внутри системы и температура воздуха в помещении. В статье [1] рассматриваются различные проблемы, возникающие при управлении системами отопления, и исследуются потенциальные решения для уменьшения оказываемого негативного влияния.

В Российской Федерации преобладает метод управления системами отопления путём централизованного контроля за температурой теплоносителя и регулирования расхода теплоносителя в точках входа в здание через тепловые пункты. В пределах индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) такое централизованное управление предлагает три основных подхода к автоматизации теплоснабжения зданий: регулирование по отклонениям (реагирование на изменение температуры в помещении), регулирование по возмущениям (контроль помех, который подстраивается под внешние погодные условия) и комбинированный метод, объединяющий аспекты обоих подходов [2].

При регулировании по отклонению используются датчики температуры внутри помещений и на индивидуальном тепловом пункте (ИТП) на подающем трубопроводе системы отопления. Его ключевое преимущество заключается во всестороннем учете возмущений. Тем не менее, к недостаткам относятся сложность определения местоположения датчиков из-за разницы температур в разных комнатах, а также логистическая сложность сопоставления данных от этих датчиков [3]. Этот метод считается подходящим в первую очередь для зданий относительно небольших размеров.

В системе регулирования по возмущению установлен внешний датчик температуры воздуха. Система отопления корректирует свою работу для поддержания заданного температурного режима под влиянием климатических условий. Его основ- ное преимущество заключается в его надежных динамических характеристиках, поскольку он не задействует систему нагрева непосредственно в контуре управления, тем самым снижая высокую инерцию. Однако к недостаткам можно отнести регулирование, основанное исключительно на температурном графике, без учета уникальных характеристик здания как объекта управления.

Однако при эксплуатации таких систем отопления поддержание постоянного теплового режима внутри отдельных помещений становится проблематичным. Данная проблема возникает из-за несоответствия проектных параметров реальным характеристикам отопительных приборов, а также вследствие неожиданных колебаний температуры и расхода воды [4]. Эти отклонения усугубляются волновым эффектом, возникающим при циркуляции воды через взаимосвязанные нагревательные устройства вдоль каждого стояка или ответвления. Следовательно, централизованное регулирование температуры горячей воды часто отдает приоритет помещениям с неблагоприятными тепловыми условиями. Тем не менее, такой подход часто приводит к перегреву большинства помещений и влечет за собой избыточный расход энергии.

К недостаткам зависимого подключения системы отопления к внешним тепловым трубам относятся проблемы с контролем температуры горячей воды и зависимость теплового режима здания от температуры воды во внешней тепловой трубе. Эти недостатки в сочетании с повышенными требованиями к энергоэффективности и комфорту помещений подчеркивают необходимость частичной или полной модернизации или замены системы отопления.

Альтернативный подход к эффективному обеспечению тепла здания может включать внедрение системы, использующей инфракрасные панельные обогреватели [5]. В инфракрасном отоплении в качестве источников тепла используются инфракрасные (ИК) излучатели, которые могут быть в роли как дополнительного, так и основного обогрева. Использование особенностей инфракрасного излучения позволяет осуществлять локальный обогрев, направляя тепло в те зоны, где оно необходимо, что имеет большую актуальность в крупных помещениях с высокими потолками.

Поскольку тепловое излучение ИК-обогревателя практически не задерживается воздухом, оно напрямую достигает людей и предметов, обеспечивая эффективное использование всей излучаемой энергии. Следовательно, предметы поглощают тепло и впоследствии передают его окружающему воздуху. Эта характеристика отличает инфракрасное отопление от прямого, тогда как традиционное конвекционное отопление считается непрямым. Заметным преимуществом ИК-обогревателей является их минимальное время задержки, что позволяет быстро выводить обогреватели на необходимый режим.

Основной компонент инфракрасных обогревателей - излучатели, отвечающие за излучение инфракрасного излучения посредством нагрева. В электрических излучателях обычно используется трубчатый электрический нагреватель (ТЭН) или открытая спираль, экранированная кварцевой трубкой. В газовых радиаторах используется металлическая сетка или трубка с черным покрытием или керамическая пластина со специальной перфорацией, нагреваемая за счет прохождения продуктов сгорания природного газа. Кроме того, пленочные нагреватели могут использовать углеродное (карбоновое) покрытие.

Рис. 1. Керамическая инфракрасная панель

Для обеспечения направленного нагрева и предотвращения перегрева корпуса и его содержимого используется отражатель, изготовленный из высокоотражающего и термостойкого металла. При компактной форме излучателя отражатель принимает форму вращающегося параболоида; для линейных излучателей он принимает форму параболического цилиндра. Иногда отражатель делают матовым или текстурированным, чтобы смягчить и частично расширить диаграмму направленности. Системы инфракрасного отопления делятся на три типа: потолочные, настенные и напольные. Основное их отличие заключается в направленности потока излучаемого излучения.

Для управления ИК-нагревателями применяют релейные термостаты [6]. Эти термостаты работают благодаря биметаллическому элементу, чувствительному к изменениям температуры в помещении. В случае превышения установленного температурного порога во время обогрева электропитание обогревателя отключается. И наоборот, когда температура падает ниже заданного предела, питание восстанавливается, активируя нагрев для поддержания желаемой температуры в помещении. На графике показана система отопления, в которой используются инфракрасные панели и подключенный термостат.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 2. График расхода электроэнергии на ИК-обогреватель

В настоящее время, современные термостаты предлагают универсальную работу в трех различных режимах: режим «Расписание», автономный режим и ручной режим. Используя автономный режим и функцию «Расписание», пользователи могут запрограммировать контроллер на определенные часы работы, установить желаемые температуры и установить приемлемый диапазон гистерезиса, допуская колебания температуры без включения источника питания нагревателя. Этими устройствами легко управлять через компьютер или мобильные устройства с помощью специального программного обеспечения и подключения к беспроводной сети Wi-Fi.

Усовершенствованные электронные термостаты включают в себя различные меры защиты от внезапных сбоев. Например, в случае отключения от сети Internet, контроллер плавно возвращается к последним сохраненным настройкам, при этом варианты ручного управления по-прежнему доступны. Более того, в случае отключения электроэнергии все настройки термостата сохраняются в энергонезависимой памяти, а внутренний источник питания обеспечивает работу часов до трех дней. Эти особенности обеспечивают бесперебойную работу системы отопления, управляемой термостатом, даже при непредвиденных эксплуатационных проблемах.

Особое значение рассматриваемые обогреватели имеют в системах теплоснабжения образовательных учреждений. Учитывая меняющиеся графики занятий, перерывов, выходных и праздников, эти системы должны оптимизировать потребление тепловой энергии, приспосабливаясь к колебаниям занятости в здании, что является критическим фактором для энергоэффективности и комфорта.

Изложенная стратегия эффективного распределения тепла в зданиях с использованием инфракрасных панельных обогревателей представляет собой многообещающую альтернативу традиционным системам центрального отопления как в жилых, так и в административных комплексах. Этот переход не только снижает потребление электроэнергии, но также устраняет необходимость в традиционном нагреве горячей воды, обеспечивая быструю окупаемость инвестиций в замену оборудования.