Лучистое отопление и охлаждение — это категория технологий HVAC , которые обмениваются теплом посредством конвекции и излучения с окружающей средой, для нагрева или охлаждения которой они предназначены. Существует множество подкатегорий лучистого отопления и охлаждения, в том числе: «излучающие потолочные панели», [1] «встраиваемые поверхностные системы», [1] «термически активные строительные системы», [1] и инфракрасные обогреватели . Согласно некоторым определениям, технология включается в эту категорию только в том случае, если радиация составляет более 50% ее теплообмена с окружающей средой; [2] поэтому такие технологии, как радиаторы и охлаждающие балки (которые также могут включать радиационную передачу тепла), обычно не считаются лучистым обогревом или охлаждением. Внутри этой категории практично различать высокотемпературное лучистое отопление (устройства с температурой источника излучения >≈300 °F) и лучистое отопление или охлаждение с более умеренными температурами источника. В этой статье в основном рассматривается лучистое отопление и охлаждение с умеренными температурами источника, используемое для обогрева или охлаждения помещений. Лучистое отопление и охлаждение при умеренной температуре обычно состоит из относительно больших поверхностей, которые нагреваются или охлаждаются изнутри с помощью гидравлических или электрических источников. Информацию о высокотемпературном лучистом обогреве внутри или снаружи помещения см. в разделе: Инфракрасный обогреватель . Информацию о применении снеготаяния см. в разделе: Система снеготаяния .
.jpg/1280px-IH_-_Frico_halogeninfrav%C3%A4rmare_(v%C3%A4rmestr%C3%A5lare).jpg)
Лучистое отопление – это технология обогрева внутренних и наружных территорий. Нагрев лучистой энергией наблюдается каждый день, наиболее часто наблюдаемым примером является тепло солнечного света. Лучистое отопление как технология определяется более узко. Это метод намеренного использования принципов лучистого тепла для передачи лучистой энергии от излучающего источника тепла к объекту. Конструкции с лучистым отоплением рассматриваются как замена традиционному конвекционному отоплению , а также как способ обеспечения замкнутого наружного отопления.
Лучистое отопление нагревает здание за счет лучистого тепла , а не традиционных методов, таких как радиаторы (в основном конвекционное отопление ). Примером может служить австрийско-немецкая петушок ( Kachelofen ), разновидность каменного обогревателя . Системы смешанного излучения, конвекции и проводимости существовали со времен использования римлянами гипокаустового отопления. [3] Лучистое отопление полов уже давно широко распространено в Китае и Южной Корее . [4] Тепловая энергия излучается теплым элементом, например полом, стеной или потолочной панелью, и согревает людей и другие предметы в помещениях, а не нагревает воздух напрямую. Температура внутреннего воздуха в зданиях с лучистым отоплением может быть ниже, чем в зданиях с традиционным отоплением, чтобы достичь того же уровня комфорта для тела, если отрегулировать так, чтобы воспринимаемая температура была фактически одинаковой. Одним из ключевых преимуществ систем лучистого отопления является значительно уменьшенная циркуляция воздуха внутри помещения и соответствующее распространение частиц в воздухе.
Системы лучистого отопления/охлаждения можно разделить на:
Системы напольного и настенного отопления часто называют низкотемпературными системами. Поскольку их поверхность нагрева намного больше, чем у других систем, для достижения того же уровня теплопередачи требуется гораздо более низкая температура . Это обеспечивает улучшенный микроклимат в помещении с более здоровым уровнем влажности. Максимальная температура поверхности нагрева может варьироваться в пределах 29–35 °C (84–95 °F) в зависимости от типа помещения. Излучающие потолочные панели чаще всего используются на производственных и складских объектах или в спортивных центрах; они висят на высоте нескольких метров над полом, а температура их поверхности намного выше.
При обогреве открытых площадей окружающий воздух постоянно перемещается. Полагаться на конвекционное отопление в большинстве случаев нецелесообразно, поскольку, нагрев наружный воздух, он унесется вместе с движением воздуха. Даже в безветренную погоду эффект плавучести унесет горячий воздух. Наружные лучистые обогреватели позволяют охватить определенные пространства на открытом воздухе, обогревая только людей и объекты на своем пути. Системы лучистого отопления могут работать на газе или использовать электрические инфракрасные нагревательные элементы. Примером потолочных излучающих обогревателей являются обогреватели для внутреннего дворика, которые часто используются при обслуживании на открытом воздухе. Верхний металлический диск отражает лучистое тепло на небольшую площадь.
Лучистое охлаждение — это использование охлаждаемых поверхностей для удаления явного тепла в первую очередь за счет теплового излучения и только во вторую очередь за счет других методов, таких как конвекция . ASHRAE определяет излучающие системы как поверхности с контролируемой температурой, где 50% или более расчетной теплопередачи происходит за счет теплового излучения. [5] Излучающие системы, в которых для охлаждения излучающих поверхностей используется вода, являются примерами гидравлических систем. В отличие от «полностью воздушных» систем кондиционирования воздуха, в которых циркулирует только охлажденный воздух, водяные излучающие системы циркулируют охлажденную воду по трубам через специально установленные панели на полу или потолке здания, чтобы обеспечить комфортную температуру. Существует отдельная система подачи воздуха для вентиляции , осушения и, возможно, дополнительного охлаждения. [5] Излучающие системы менее распространены, чем полностью воздушные системы охлаждения, но в некоторых приложениях могут иметь преимущества по сравнению с полностью воздушными системами. [6] [7] [8]
Поскольку большая часть процесса охлаждения происходит за счет удаления явного тепла посредством лучистого обмена с людьми и объектами, а не с воздухом, тепловой комфорт для пассажиров может быть достигнут при более высоких температурах внутреннего воздуха, чем при использовании систем воздушного охлаждения. Системы лучистого охлаждения потенциально позволяют снизить потребление энергии на охлаждение. [6] Скрытые нагрузки (влажность) от жильцов, проникновение и процессы обычно должны управляться независимой системой. Лучистое охлаждение также может быть интегрировано с другими энергоэффективными стратегиями, такими как промывка в ночное время, непрямое испарительное охлаждение или геотермальные тепловые насосы, поскольку для этого требуется небольшая разница в температуре между желаемой температурой воздуха в помещении и охлаждаемой поверхностью. [9]
Пассивное дневное радиационное охлаждение использует материал, который флуоресцирует в инфракрасном атмосферном окне — частотном диапазоне, в котором атмосфера необычайно прозрачна, поэтому энергия уходит прямо в космос. Это может охладить теплофлуоресцентный объект до температуры ниже температуры окружающего воздуха, даже при ярком солнце. [10] [11] [12]
Первые системы лучистого охлаждения были установлены в конце 1930-х и 1940-х годах в Европе [13] и к 1950-м годам в США. [14] Они стали более распространены в Европе в 1990-х годах и продолжают использоваться сегодня. [15]
Согласно исследованиям, проведенным Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, системы лучистого охлаждения обеспечивают более низкое энергопотребление, чем традиционные системы охлаждения . Экономия энергии при лучистом охлаждении зависит от климата, но в среднем по США экономия находится в пределах 30% по сравнению с обычными системами. В прохладных и влажных регионах экономия составит 17%, а в жарких и засушливых регионах экономия составит 42%. [6] Жаркий и сухой климат дает наибольшее преимущество для лучистого охлаждения, поскольку здесь приходится наибольшая доля охлаждения за счет отвода явного тепла. Хотя это исследование является информативным, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы учесть ограничения инструментов моделирования и интегрированных системных подходов. Большая часть экономии энергии также объясняется меньшим количеством энергии, необходимой для перекачки воды, а не для распределения воздуха с помощью вентиляторов. За счет объединения системы с массой здания лучистое охлаждение может перенести некоторое охлаждение на непиковые часы в ночное время. Лучистое охлаждение, по-видимому, имеет более низкие первоначальные затраты [16] и стоимость жизненного цикла по сравнению с традиционными системами. Более низкие первоначальные затраты в основном объясняются интеграцией с элементами конструкции и дизайна, а более низкие затраты на жизненный цикл являются результатом меньшего обслуживания. Однако недавнее исследование по сравнению повторного нагрева VAV с активными охлаждающими балками и DOAS поставило под сомнение утверждения о более низких первоначальных затратах из-за дополнительных затрат на трубопроводы [17].
Из-за возможности образования конденсата на холодной излучающей поверхности (что приводит к повреждению водой, образованию плесени и т.п.) системы лучистого охлаждения не нашли широкого применения. Конденсат, вызванный влажностью, является ограничивающим фактором охлаждающей способности лучистой системы охлаждения. Температура поверхности не должна быть равна или ниже температуры точки росы в помещении. Некоторые стандарты предполагают ограничение относительной влажности в помещении до 60% или 70%. Температура воздуха 26 °C (79 °F) будет означать точку росы от 17 °C до 20 °C (от 63 °F до 68 °F). [9] Однако есть данные, свидетельствующие о том, что снижение температуры поверхности до уровня ниже температуры точки росы на короткий период времени может не вызвать конденсацию . [16] Кроме того, использование дополнительной системы, такой как осушитель или DOAS , может ограничить влажность и обеспечить повышенную охлаждающую способность.
Несмотря на широкий спектр системных технологий, существует два основных типа систем лучистого охлаждения. Первый тип — это системы, которые обеспечивают охлаждение через конструкцию здания, обычно плиты. Эти системы также называются термически активируемыми строительными системами (TABS). [18] Второй тип — это системы, обеспечивающие охлаждение через специализированные панели. Системы, использующие бетонные плиты, как правило, дешевле панельных систем и предлагают преимущество тепловой массы, в то время как панельные системы обеспечивают более быстрый контроль температуры и гибкость.
Лучистое охлаждение от плиты может подаваться в помещение от пола или потолка. Поскольку системы лучистого отопления, как правило, располагаются в полу, очевидным выбором будет использование той же системы циркуляции для охлажденной воды. Хотя в некоторых случаях это имеет смысл, охлаждение с потолка имеет ряд преимуществ.
Во-первых, потолки легче оставить открытыми для помещения, чем полы, что увеличивает эффективность тепловой массы. Полы имеют обратную сторону покрытий и мебели, которые снижают эффективность системы.
Во-вторых, через охлаждаемый потолок происходит больший конвективный теплообмен по мере того, как теплый воздух поднимается вверх, что приводит к большему количеству воздуха, вступающему в контакт с охлаждаемой поверхностью.
Охлаждение через пол имеет наибольший смысл, когда в результате проникновения солнечных лучей происходит большое количество солнечного света, поскольку прохладный пол легче снимает эту нагрузку, чем потолок. [9]
Охлаждаемые плиты, по сравнению с панелями, имеют более значительную тепловую массу и, следовательно, могут лучше использовать суточные колебания наружной температуры. Охлажденные плиты стоят дешевле на единицу площади поверхности и лучше интегрированы в структуру.
Системы лучистого/конвективного отопления/охлаждения обычно интегрируются в плитные или подвесные потолки или крепятся к потолкам, но могут быть прикреплены и к стенам. Модульная природа потолочных панелей обеспечивает повышенную гибкость с точки зрения размещения и интеграции с освещением или другими электрическими системами, но они менее эффективны, чем системы охлаждающих балок. Меньшая тепловая масса по сравнению с охлажденными плитами означает, что они не могут легко воспользоваться преимуществами пассивного охлаждения за счет накопления тепла, но средства управления могут быстрее приспосабливаться к изменениям температуры наружного воздуха. Охлаждающие балки/потолки также лучше подходят для зданий с помещениями, в которых наблюдается большая разница в холодильной нагрузке. [5] Перфорированные панели также обеспечивают лучшее звукопоглощение, чем охлажденные плиты. Потолочные панели очень подходят для модернизации, поскольку их можно прикрепить к любому потолку. Охлаждающие потолочные панели легче интегрировать с вентиляцией, подаваемой с потолка.
Рабочая температура является показателем теплового комфорта , учитывающим влияние как конвекции, так и излучения. Рабочая температура определяется как однородная температура сияющего черного помещения, в котором человек обменивает такое же количество тепла за счет излучения и конвекции, что и в реальной неоднородной среде.
С помощью излучающих систем тепловой комфорт достигается при более высокой внутренней температуре, чем в полностью воздушных системах для сценария охлаждения, и при более низкой температуре, чем в полностью воздушных системах для сценария обогрева. [19] Таким образом, излучающие системы могут помочь добиться экономии энергии при эксплуатации здания, сохраняя при этом желаемый уровень комфорта.
На основе большого исследования, проведенного с использованием опроса жильцов Центра искусственной среды ( IEQ) для сравнения удовлетворенности жильцов в зданиях с лучистым излучением и зданиях с кондиционированием воздуха, обе системы создают одинаковые условия внутри помещений, включая акустическую удовлетворенность, с тенденцией в сторону улучшения температурного режима в излучающих зданиях. [20]
Асимметрия температуры излучения определяется как разница между плоской температурой излучения двух противоположных сторон небольшого плоского элемента. Что касается находящихся в здании людей, поле теплового излучения вокруг тела может быть неравномерным из-за горячих и холодных поверхностей и прямых солнечных лучей, что приводит к локальному дискомфорту. Норма ISO 7730 и стандарт ASHRAE 55 определяют прогнозируемый процент недовольных жильцов (PPD) как функцию асимметрии температуры излучения и определяют приемлемые пределы. В целом люди более чувствительны к асимметричному излучению, вызванному теплым потолком, чем к излучению, вызванному горячими и холодными вертикальными поверхностями. Подробный метод расчета процента недовольных из-за асимметрии температуры излучения описан в ISO 7730.
Хотя конкретные требования к проектированию будут зависеть от типа излучающей системы, некоторые проблемы являются общими для большинства излучающих систем.
Системы лучистого охлаждения обычно являются водяными , в которых используется циркулирующая вода, протекающая по трубам, находящимся в тепловом контакте с поверхностью. Обычно температура циркулирующей воды должна быть на 2–4 °C ниже желаемой температуры воздуха в помещении. [9] После поглощения активно охлаждаемой поверхностью тепло отводится водой, протекающей через гидравлический контур, заменяя нагретую воду более холодной водой.
В зависимости от положения труб в конструкции здания водяные излучающие системы можно разделить на 4 основные категории:
Норма ISO 11855-2 [24] фокусируется на встроенных системах поверхностного отопления и охлаждения на водной основе, а также TABS. В зависимости от деталей конструкции этот стандарт различает 7 различных типов этих систем (типы от A до G).
Лучистые системы связаны с системами с низкой эксергией. Низкая эксергия означает возможность использовать «энергию низкого качества» (т.е. рассеянную энергию, которая мало способна совершать полезную работу). Как нагрев, так и охлаждение в принципе могут быть достигнуты при температурах, близких к температуре окружающей среды. Низкая разница температур требует, чтобы передача тепла происходила по относительно большим поверхностям, как, например, в системах подогрева потолков или полов. [25] Излучающие системы, использующие низкотемпературное отопление и высокотемпературное охлаждение, являются типичным примером систем с низкой энергией. Источники энергии, такие как геотермальная энергия (прямое охлаждение / отопление геотермальным тепловым насосом) и солнечная горячая вода, совместимы с излучающими системами. Эти источники могут привести к значительной экономии с точки зрения использования первичной энергии в зданиях.
Некоторые известные здания, использующие лучистое охлаждение, включают аэропорт Суварнабхуми в Бангкоке , [26] здание 1 разработки программного обеспечения Infosys в Хайдарабаде, ИИТ Хайдарабада , [27] и Эксплораториум Сан-Франциско . [28] Лучистое охлаждение также используется во многих зданиях с нулевым потреблением энергии . [29] [30]
Тепловое излучение — это энергия в форме электромагнитных волн, излучаемая твердым телом, жидкостью или газом в результате его температуры. [31] В зданиях на лучистый тепловой поток между двумя внутренними поверхностями (или поверхностью и человеком) влияют излучательная способность теплоизлучающей поверхности и коэффициент обзора между этой поверхностью и воспринимающей поверхностью (предметом или человеком) в зданиях. комната. [32] Тепловое (длинноволновое) излучение распространяется со скоростью света по прямым линиям. [5] Это можно отразить. Люди, оборудование и поверхности в зданиях нагреваются, если поглощают тепловое излучение, но излучение не нагревает заметно воздух, через который проходит. [5] Это означает, что тепло будет перетекать от предметов, людей, оборудования и источников света в помещении к охлаждаемой поверхности, пока их температура выше, чем температура охлаждаемой поверхности, и они находятся в пределах прямой или непрямой видимости объекта. охлаждаемая поверхность. Некоторая часть тепла также отводится за счет конвекции , поскольку температура воздуха снижается при контакте воздуха с охлаждаемой поверхностью.
Передача тепла излучением пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры поверхности.
Коэффициент излучения материала (обычно обозначаемый ε или e) — это относительная способность его поверхности излучать энергию посредством излучения. Черное тело имеет коэффициент излучения 1, а идеальный отражатель имеет коэффициент излучения 0. [31]
При радиационной теплопередаче коэффициент обзора количественно определяет относительную важность излучения, которое покидает объект (человека или поверхность) и поражает другой объект, учитывая другие окружающие объекты. В ограждениях сохраняется выходящее с поверхности излучение, поэтому сумма всех коэффициентов обзора, связанных с данным объектом, равна 1. В случае помещения коэффициент обзора излучающей поверхности и человека зависит от их взаимного расположения. . Поскольку человек часто меняет положение и поскольку в комнате одновременно может находиться множество людей, можно использовать диаграммы для всенаправленного человека. [33]
Время отклика (τ95), также известное как постоянная времени , используется для анализа динамических тепловых характеристик излучающих систем. Время отклика излучающей системы определяется как время, необходимое для того, чтобы температура поверхности излучающей системы достигла 95% разницы между ее конечным и начальным значениями, когда в качестве входных данных применяется ступенчатое изменение в управлении системой. [34] На него в основном влияют толщина бетона, расстояние между трубами и, в меньшей степени, тип бетона. На него не влияют диаметр трубы, рабочая температура в помещении, температура приточной воды и режим протока воды. Используя время отклика, излучающие системы можно разделить на быстродействующие (τ95<10 мин, как RCP), средние (1 ч<τ95<9 ч, как тип A, B, D, G) и медленные (9 ч). < τ95<19 ч, как у типа E и типа F). [34] Кроме того, напольные и потолочные излучающие системы имеют разное время отклика из-за разных коэффициентов теплопередачи в зависимости от тепловой среды помещения и положения в трубе.
Камины и дровяные печи
24-6. Первым большим зданием в Цюрихе, оснащенным комбинированной системой лучистого отопления и охлаждения, является универмаг Jelmoli (рис. 24-1). Первые секции этого хранилища были возведены в период с 1899 по 1932 год и оборудованы стандартной системой радиаторного отопления паром низкого давления; последняя секция была построена в 1933-37 годах и оборудована комбинированной системой лучистого отопления и охлаждения... Административное здание компании Saurer в Арбоне и муниципальная больница в Базеле относятся к числу наиболее важных зданий, недавно оснащенных системами лучистого охлаждения.
Этот тип системы доказал свою эффективность в нескольких установках. Впервые это было предпринято в нескольких комнатах для образцов в Радио-Сити около пяти лет назад. С тех пор он появился в 30-этажном здании Alcoa Building, а также в другом многоэтажном здании в Канаде. Обе последние конструкции обогреваются зимой и охлаждаются летом с помощью одних и тех же змеевиков труб в металлических потолках.