Скачать Презентацию (40Mb)

Многие независимые государства, образовавшиеся на территории бывшего СССР, столкнулись с острыми проблемами обеспечения устойчивого энергоснабжения объектов народного хозяйства. Беларусь с ее ограниченными топливно-энергетическими ресурсами расходует значительные средства на их приобретение за рубежом, что приводит к росту энергетической составляющей в структуре себестоимости выпускаемой продукции и снижению конкурентоспособности товаров как на внешнем, так и на внутреннем рынках. Единственным выходом из сложившейся ситуации на данный момент является перевод производства на энергосберегающие технологии.

Под термином энергосбережение понимается комплекс мероприятий, проводимых государственными органами, юридическими и физическими лицами, направленных как на ограничение или предотвращение потерь энергии, так и на обеспечение ее рационального использования. Иными словами, энергосбережение - это эффективное использование топливно-энергетических ресурсов, в первую очередь за счет внедрения новых малозатратных технологий.

Неотложные меры по модернизации оборудования необходимо принять и в отношении отопительных систем промышленных предприятий. Современные технологические процессы предъявляют повышенные требования к температурной обстановке на производственных участках. Необходимые тепловые условия зачастую могут быть достигнуты лишь с помощью инфракрасного (ИК) обогрева, при котором гармонично сочетается перенос тепла конвекцией и электромагнитными волнами.

Аппараты инфракрасного обогрева монтируются в верхней зоне цехов. Они способны создавать поток лучистой энергии в диапазоне длин волн, слабо поглощаемых воздухом, направленный сверху вниз на людей и оборудование. В этом случае энергия электромагнитных волн преобразуется в тепло лишь при взаимодействии их с предметами, и суммарная мощность излучателей определяется размерами обогреваемой площади, а не объемом всего помещения. Концентрация теплового потока в рабочей зоне позволяет иметь минимум тепловых потерь вне ее.
Создание энергоэффективных систем такого рода является сложной научно-технической задачей. Она может быть решена только с помощью новых форм и методов математического моделирования обогревательных устройств, позволяющих проводить сопряженный расчет оптимальных параметров системы и микроклимата в помещении.

Существуют два типа задач теплофизики помещения - прямая и обратная, которые отличаются постановочной частью. В прямых задачах, исходя из характеристик здания, параметров отопительного оборудования и его размещения, определяются картина теплопереноса в помещении и параметры микроклимата. С появлением мощной вычислительной техники и разработкой эффективных расчетных схем достигнуты значительные результаты в решении данных задач; уже не составляет труда провести теплофизические расчеты для помещений любой конфигурации с различными кратностью воздухообмена и тепловой инерционностью ограждающих конструкций. Однако, сказанное относится только к помещениям, в которых не размещено технологическое оборудование.

Намного скромнее успехи в области решения обратных задач - определении конструкции обогревательного оборудования, его расположения и алгоритма работы, обеспечивающих заданные параметры микроклимата в помещении. Несмотря на кажущуюся простоту, они намного сложнее первого типа. Здесь нет столь развитого математического аппарата, к тому же отсутствует полнота информации, так как второй тип задач имеет явно прикладной характер, а  разработка серьезных аппаратов и систем составляет коммерческую тайну. Поэтому в открытой печати редко встречаются даже общетеоретические работы, касающиеся моделирования энергетических устройств в целом.

Совершенно очевидно, что приоритеты ценностей при моделировании физических явлений и объектов по первому и второму типу задач совершенно различны, порой почти диаметрально противоположны. Поэтому для решения сопряженной задачи поиска оптимальных параметров обогревательной системы и микроклимата приходится соединить, на первый взгляд, несоединимое - прямую и обратную задачи теплофизики помещения - в одно целое. Здесь надо взаимозависимо определить граничные условия, поля параметров воздуха, размеры, расстановку и алгоритм работы излучателей. Сопряженный расчет позволяет достигнуть глубокой оптимизации системы и сделать ее предельно эффективной.


ДОСТОИНСТВА И ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМ ИК-ОБОГРЕВА

1. ЧЕМ ОБУСЛОВЛЕНЫ ПРЕИМУЩЕСТВА ИК-ОБОГРЕВА
Температурная обстановка в помещении при инфракрасном обогреве отличается от создаваемой конвективными (традиционными водяными или воздушными) системами отопления. Это связано с различием доминирующих механизмов теплопереноса. В водяной системе отопления нагревательным устройством является радиатор. Воздух, омывая его поверхность, нагревается, плотность его снижается и он поднимается вверх. При этом тепло передается стенам, потолочному перекрытию, предметам, находящимся в помещении. Охладившись, воздух опускается вниз, где вновь нагревается от радиатора. Поэтому температура воздуха в помещении всегда выше температуры поверхности ограждений и предметов, а ее рост по высоте составляет примерно 1,5 0С/м.

При воздушном отоплении воздух прокачивается через калорифер и уже теплым подается в помещение. Создаваемая температурная обстановка в этом случае аналогична вышеописанной; изменение температуры воздуха по высоте здесь составляет около 2,0 0С/м [1, 2].
При инфракрасном обогреве помещения установленные в нем излучатели генерируют поток лучистой энергии, который, частично поглощаясь воздухом, падает на ограждения и предметы. За счет отражения и поглощения этот поток полностью распределяется между телами, участвующими в теплообмене, и нагревает их. Таким образом, температура внутренних поверхностей ограждений (не только стен, но и пола) превышает температуру воздуха. При этом температурное поле близко к равномерному. Рост ее по высоте на порядок меньше, чем при конвективном отоплении. Данные особенности создаваемой температурной обстановки (превышение температуры ограждений над температурой воздуха и незначительные градиенты температуры воздуха по высоте) обуславливают преимущества систем ИК-обогрева.

2. ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ДОСТОИНСТВА ИК-ОБОГРЕВА
Человек сам по себе является тонким инфракрасным устройством. Для нормального, слаженного функционирования всех его органов необходимо, чтобы каждый из них генерировал ИК-излучение строго определенной интенсивности и спектра. Это условие обеспечивается, с одной стороны,  системой отопления, которая создает необходимую для жизнедеятельности температурную обстановку в помещении, а с другой – системами тепловыделения и терморегуляции самого человека.

Тепловыделение происходит в результате реакций биохимического синтеза белков и других органических соединений. Количество вырабатываемой энергии зависит от индивидуальных особенностей человека, его психологического состояния, характера выполняемой работы. Так, в спокойном состоянии мощность тепловыделения организмом взрослого человека составляет примерно 120 Вт, при тяжелой работе она возрастает до 500 Вт и более.

Система терморегуляции поддерживает температуру каждого органа в своем узком диапазоне, приводя в соответствие количество выделяемого в нем тепла количеству тепла, отдаваемому во внешнюю среду. Теплоотдача с поверхности тела человека в основном происходит за счет конвекции и излучения. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от температуры и подвижности воздуха. Температура, расположение и размеры  поверхностей, окружающих человека предметов, определяют радиационный теплообмен. При традиционных способах отопления (водяной и воздушной системами) интенсивность теплоотдачи тела человека конвекцией относится к интенсивности теплоотдачи излучением как 3:5 в то время как для его жизнедеятельности полезно обратное соотношение этих величин [3]. Такой благоприятный тепловой режим имеет место при превышении средней температуры поверхностей предметов и ограждений над температурой воздуха и, как мы отметили выше, создается системами ИК-обогрева.

Под комфортными условиями понимают такое сочетание параметров микроклимата, когда при длительном нахождении  человека в помещении нормальное функциональное состояние его организма сохраняется без напряжения функций терморегуляции.

При ИК-обогреве комфортные условия достигаются при более низкой температуре воздуха в помещении по сравнению с нормируемой для случая конвективного отопления. Поэтому в холодное время года помещения с ИК-обогревом можно аэрировать и проветривать в большем объеме без опасения переохлаждения, что способствует созданию благоприятной для человека воздушной обстановки. Снижение температуры воздуха ниже 18 0С и насыщенность его кислородом значительно облегчают дыхание за счет интенсификации экзотермической реакции легких [4].

Благоприятное значение имеет и повышенная температура пола – человек не ощущает холода в ногах и чувствует себя намного комфортнее. Еще одним преимуществом ИК-обогрева является низкая подвижность воздуха вследствие равномерности температурного поля в помещении. Слабые конвективные токи воздуха не мешают оседанию пыли, что снижает концентрацию микрофлоры в зоне дыхания человека.

Таким образом, ИК-обогрев помещений в гигиеническом отношении более совершенен, чем обогрев традиционными конвективными системами отопления. Очень часто его сравнивают с согреванием под лучами солнца, благотворное влияние инфракрасных лучей которого на организм человека неоспоримо. Но следует помнить, что воздействие солнца в силу его удаленности практически одинаково по всей высоте тела человека. В нашем же случае излучатели, расположенные в верхней зоне помещений высотой менее 12 м, видны с уровней головы и ног человека под существенно отличными друг от друга телесными углами. Добиться равномерности облучения при ИК-обогреве технически непросто. Решить эту проблему могут только квалифицированные специалисты, владеющие вопросами фотометрии – науки о распространении излучения и взаимодействии его с телами.

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМ ИК-ОБОГРЕВА
В 1993 - 2000 гг. учеными НАН Беларуси была разработана серия математических моделей совместного расчета конструкционных параметров систем ИК-обогрева и характеристик микроклимата в помещениях различного целевого назначения. Получены зависимости стоимости и окупаемости этих систем, расхода топливно-энергетических ресурсов от типа излучателей, их количества и расположения в помещениях, графика работы предприятия (учреждения). В тот же период были обследованы сотни предприятий и учреждений Беларуси – изучалось состояние ограждающих конструкций зданий, работа отопительных и вентиляционных систем, загруженность производства, эффективность использования помещений. Результаты этой работы легли в основу проектирования инфракрасных систем.

Промышленность. К 2004 году системы ИК-обогрева были внедрены на 40 производственных участках ведущих предприятий Республики Беларусь, таких как НПО "Интеграл", БелОМО, ЗАО "Атлант", НПО "Горизонт", Минский завод специального инструмента и технологической оснастки, Бобруйский завод тракторных деталей и агрегатов и др. Анализ расчетных данных, результатов обследований предприятий и контрольных замеров энергетических характеристик действующих систем ИК-обогрева позволил сделать следующие выводы.

Научно-обоснованное использование систем ИК-обогрева в промышленности позволяет:
уменьшить расход топливно-энергетических ресурсов в 1,8 - 2,1 раза на обогрев производственных участков в холодный период года;
снизить  подвижность воздуха и перенос пыли в 2,6 - 2,9 раза;
исключить конденсацию влаги на поверхностях обрабатываемых деталях и оборудовании;
обеспечить точность поддержания температуры в рабочих зонах больших размеров  ? 0,5 0С;
уменьшить градиент температуры воздуха по высоте помещений в 10 - 12 раз, достигнув величины 0,16 0С/м и, тем самым, создать условия для размещения технологических линий как по горизонтали, так и по вертикали цеха.

Такое расположение оборудования при одинаковых производственных мощностях приводит к сокращению площадей, отведенных под технологические процессы, на 20 %, протяженности внутрикорпусных коммуникаций – на 50 %, материалоемкости строительства. –  на 35 - 40 %  и дополнительному снижению расхода топливно-энергетических ресурсов на обогрев на 25 % [5, 6].

Инфракрасное излучение в силу своей электромагнитной природы при взаимодействии с веществом оказывает влияние на характер и скорость протекания химических, массообменных и биохимических процессов. Инфракрасные системы двухфункционального назначения, у которых одна часть генерируемой лучистой энергии идет на интенсификацию технологических процессов, а другая – на обогрев получили название АСЛОТУ (автоматизированные системы лучистого обеспечения технологических условий). В среднем стоимость АСЛОТУ для одного производственного участка площадью 1 000 м2 составляет $ 45 000, ее окупаемость не превышает трех лет. Помимо промышленности такие системы могут эффективно использоваться в медицине и сельском хозяйстве.

Медицина. Полезность инфракрасных лучей для организма человека известна давно. Они оказывают болеутоляющее, антиспазматическое, противовоспалительное, стимулятивное и отвлекающее действие. Инфракрасные медицинские приборы с успехом применяются при заболеваниях лимфатической системы, суставов, органов брюшной полости, грудной клетки, печени и желчного пузыря. Ими лечат невралгии, невриты, кожные заболевания, травматические повреждения. Воздействие инфракрасными лучами на оперируемого больного помогает легче переносить послеоперационные боли, ускоряет регенерацию клеток [8, 9]. В настоящее время удалось создать инфракрасную систему АСЛОТУ, которая одновременно обогревает помещение и оказывает благотворное влияние на организм человека.

Внедрение АСЛОТУ в медицинских учреждениях России началось уже с середины 90-х годов. Одними из первых этими системами были оснащены Главный военный клинический госпиталь им. Н.Н. Бурденко и клиническая больница № 83 г. Москвы; они были установлены в операционных, ожоговых и реанимационных отделениях.

В Республике Беларусь Министерством здравоохранения и Национальной академией наук выполнен комплекс мероприятий по оценке гигиенической безопасности и доработке функционально-эксплуатационных характеристик АСЛОТУ. НИИ санитарии и гигиены Минздрава по результатам гигиенической экспертизы дано заключение о ее соответствии требованиям санитарных норм и правил. С 1999 по 2003 годы эти системы были установлены в Минской городской клинической больнице скорой медицинской помощи, БелНИИ травматологии и ортопедии и Республиканском научно-практическом центре "Мать и дитя", поликлинике № 35 г. Минска. В настоящее время в Республике Беларусь проводится широкомасштабная реконструкция медицинских учреждений. В этой связи Национальная академия наук Беларуси выразила озабоченность, что в проектах реконструкции предпочтение отдано морально устаревшей воздушно-водяной системе отопления, которая требует больших расходов энергоресурсов; она считает необходимым, чтобы проектные организации привлекали к этой работе специалистов НАН Беларуси. Только при тесном сотрудничестве ученых и проектантов может быть получен максимальный эффект от реконструкции лечебных помещений и переоснащения их современным оборудованием.

Опыт эксплуатации АСЛОТУ показал, что в медицинских учреждениях этими системами следует в первую очередь оснащать хирургические и реанимационные отделения, операционные, родильные залы, ожоговые отделения. Они дают возможность:
обеспечить индивидуально в каждом помещении требуемое тепловое ощущение в диапазоне 14 - 38 0С;
достичь эффекта "влажный воздух - сухая поверхность тела человека";
снизить расход топлива, связанный с поддержанием нормируемых температур в холодный период года в 1,5 - 1,7 раза;
предотвратить послеоперационные воспаления легких и гнойные осложнения в ранах;
уменьшить период постнатальной адаптации детей и послеродового периода у родильниц;
сократить период реабилитации больных на 12 % и, тем самым, дополнительно снизить расход топливно-энергетических ресурсов в расчете на одного пациента.

 Средняя стоимость АСЛОТУ в расчете на одно лечебное помещение площадью 36 м2  составляет $ 3 200, окупаемость системы – примерно 2,5 года.

Животноводство. В бывшем Советском Союзе ИК-обогрев наиболее масштабно внедрялся в Башкирии. К 1980 году инфракрасные системы были установлены более, чем в двух тысячах животноводческих помещениях. По результатам обработки данных, полученных на 64 свинофермах Туймазинского района Уфимской области, сделано следующее заключение. Применение ИК-обогрева позволило довести сохранность молодняка с 79,4 % до 91,1 %, добиться повышения приплода поросят от одной свиноматки на 21 %, и повысить среднесуточные привесы живой массы на 56 % [9].

Ученые НАН Беларуси и специалисты Минсельпрода считают, что использование современной инфракрасной системы АСЛОТУ в животноводстве (на свинофермах, птицефабриках, в телятниках) позволит по сравнению с традиционным отоплением:
уменьшить потребление в холодный период года топливно-энергетических ресурсов в 1,4 - 1,6 раза;
увеличить межремонтный срок зданий в 2 - 3 раза за счет снижения разрушающего действия аммиака и сероводорода на строительные конструкции;
поднять прирост живой массы при том же расходе кормов свиней на 10-20 %, телят –10-15 %, кур – до 14 % и, тем самым, снизить потребление энергоресурсов на единицу продукции.

К настоящему времени НП РУП "БелИКО" НАН Беларуси разработан проект АСЛОТУ для цеха откорма поросят-отъемышей Желудокского свиноводческого комплекса. Цех рассчитан на 1000 голов поросят, площадь цеха 800 м2. Стоимость АСЛОТУ составила $ 42 000, ее окупаемость – 1,5 года.

И, в заключение, приведем факторы снижения потребления топливно-энергетических ресурсов при ИК-обогреве. Это – выравнивание температурного поля по высоте помещения, снижение теплопотерь здания вследствие уменьшения подвижности воздуха вблизи ограждающих конструкций, различие в динамике прогрева и остывания здания, локализация обогрева, снижение температуры воздуха в рабочей зоне, интенсификация технологических и биохимических процессов, малая инерционность системы обогрева, гибкость управления процессом обогрева.

Эффект от внедрения системы ИК-обогрева в конкретном помещении зависит от того, насколько правильно выбран тип излучателей. В настоящее время существует большое их разнообразие. Они отличаются температурой поверхности, генерирующей инфракрасное излучение, и способом ее разогрева – электричеством, пламенем газовых или жидкостных горелок, горячими водой или воздухом. В ближайших статьях мы дадим характеристику этим аппаратам, начав с панелей лучистого отопления.

_______________________________________
Литература:
1. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. – М.: Высшая школа, 1982.- 415 с.
2. Сканави А.И. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий. – М.: Стройиздат, 1983.- 304 с.
3. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений. Расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека. – Стройиздат, 1981.- 248 с.
4. Руководство по гигиене труда. Т. 1 / Под ред. Н.Ф. Измерова. – М.: Медицина, 1987.- 368 с.
5. Драбкин Г.М., Марголин А.Г. Многоэтажные промышленные здания из сборного железобетона. – Л.: Стройиздат, 1974.- 232 с.
6. Драбкин Г.М. Опыт проектирования многоэтажных производственных зданий    для предприятий приборостроения. – Л.: ЛДНТП, 1981.- 31 с.
7. Михайлов Г.Н. Зарубежный опыт строительства предприятий приборостроения. – М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1978.- 76 с.
8. Дерибере М. Практическое применение инфракрасных лучей. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.- 440 с.
9. Дульднер А.М. Влияние инфракрасной радиации на иммунно-биологическую реактивность человека// Гигиена и санитария. – 1965.- № 5.- С. 27-29.
10. Крылов Е.В. Газовый инфракрасный обогрев животноводческих помещений. – Саратов.: Саратовский университет, 1986.- 159 с.