Системы прямого электрического отопления
Все существующие в настоящий момент системы прямого электрического отопления (ПЭО) можно разделить на два основных класса – конвекционные и излучательные (инфракрасные).
К конвекционным относятся конвекторы различного исполнения, которые в свою очередь делятся на а) конвекторы естественного протока воздуха и б) конвекторы принудительного продува (тепловентиляторы и тепловые завесы).
Электроконвекторы по своей сути являются теми же радиаторами, за исключением того, что каждый из них при включении в электросеть может работать автономно.
Следовательно, все ранее указанные недостатки (конвективные потоки, «омертвление» воздуха, высокий температурный градиент по высоте помещения, малая экономичность) сохраняются в полном объеме. Заметным шагом вперед при применении электроконвекторов стала их способность, благодаря наличию встроенного или выносного термостата, самостоятельно поддерживать заданную температуру помещения в достаточно широком диапазоном (от 0 до 30 ° С) с весьма неплохой точностью ( ± 0,1 ° С – у электронных термостатов, ± 0,5–1 ° С – у электромеханических).
Современные электроконвекторы выполняются с герметично запаянными электронагревательными элементами, вследствие чего допускают эксплуатацию во влажных и сырых помещениях, просты в монтаже и установке.
Конвекторы принудительного продува воздуха давно и хорошо известны нашему потребителю в основном благодаря широко распространенным бытовым тепловентиляторам типа «Ветерок» и ему подобным.
Все аналогичные устройства, от простейших бытовых до промышленных, различаются лишь мощностью (от 1,5 до 70-100 кВт), производительностью вентиляторов (от 200 до 7 000 м3/ч), габаритами, весом и стоимостью.
В современных моделях, как правило, устанавливаются термостаты для автоматического поддержания заданной температуры в помещении (диапазон регулировок от 0 до 30 ° С), автоматические системы аварийного отключения, основанные на измерении температуры ТЭНов и воздуха внутри и вне корпуса, а мощные тепловые завесы могут иметь также выносной пульт управления.
Из-за наличия высокотемпературных ТЭНов, сильных потоков воздуха, высокого уровня шума и достаточно большой потребляемой мощности данные устройства едва ли можно представить в жилых или офисных помещениях (за исключением разве что всевозможных внештатных ситуаций, ремонта и т.п.). Скорее их место – в цехах, на складах, в автосервисах и автомойках и тому подобных зданиях и сооружениях промышленного назначения. Вследствие этого говорить об экологии и экономичности в данном случае также не слишком уместно, но, впрочем, эти системы и не претендуют на лидерство в данных областях. Их задача – быстрый и мощный прогрев воздуха, а все «побочные» эффекты при этом всеми признаются, но считаются все же второстепенными.
К излучательным системам ПЭО относятся инфракрасные (ИК) обогреватели, которые можно условно разбить на высокотемпературные ИК-излучатели (температура поверхности излучателя свыше 300 ° С), длинноволновые ИК-излучатели (температура поверхности излучателя от 100 ° С до 200 ° С) и низкотемпературные ИК-отопительные панели (температура излучающей поверхности от 25 до 100 ° С).
Чтобы понять, в чем состоят основные различия этих видов ИК-обогревателей и их преимущества перед конвективными, нам придётся обратиться ненадолго к точным наукам и сделать некоторые физические выкладки.
Как известно, тело человека поглощает тепло из окружающей внешней среды и само является источником тепла во внешнюю среду. Поскольку организм человека непрерывно «сжигает» жиры и углеводы и вырабатывает собственное (эндогенное) тепло, то комфортное состояние организма человека или тепловой баланс между поглощенным и выделенным теплом достигается при температуре окружающей среды около 20-22 ° С.
Рассмотрим, что же собой представляет поглощаемое телом тепло. Как известно, оно состоит из двух составляющих:
а) теплового потока от контакта кожи человека с окружающим воздухом, определяемого температурой и теплопроводностью воздуха,
б) лучистого теплового потока от окружающих предметов, зависящего от температуры этих предметов.
Так, например, если человек находится на открытом воздухе в тени дерева, то лучистый тепловой поток незначителен, при этом тепловой баланс организма наступает (в отсутствии физической работы) при температуре окружающего воздуха 22-25 ° С. Если же вокруг человека разжечь несколько костров, то человеку будет жарко даже при нулевой температуре воздуха.
Таким образом, очевидно, что при лучистом обогреве тепловой комфорт обеспечивается при пониженной температуре воздуха в отапливаемом помещении. А это приводит к значительной экономии на отопление, поскольку уменьшаются тепловые потери через стены и потолок, а также уменьшаются потери, связанные с вентиляцией.
Теперь рассмотрим, чем же различаются между собой высокотемпературные и низкотемпературные системы лучистого отопления.
Как известно, инфракрасный диапазон длин волн простирается от границы видимого красного цвета ~ 0,76 мкм до 1- 2 мм . Длина волны излучения, соответствующая максимуму в спектре распределения энергии излучения, определяется температурой излучающей поверхности. Так например, при температуре тела человека около 37 ° С максимум в энергетическом спектре излучения тела приходится на длину волны около 9,5 мкм. Нагретый солнцем песок на пляже также излучает тепло в диапазоне длин волн 9,2-9,4 мкм. Чем горячее тело, тем короче длина волны.
Высокотемпературные ИК-излучатели (выше 300 ° С) излучают в диапазоне от 2 до 6,5 мкм. Такое излучение характеризуется тем, что оно поглощается поверхностями предметов, одеждой, кожей и тонким слоем подкожной клетчатки. Нагретые этим излучением предметы отдают тепло воздуху, а тепло нагретого подкожного слоя разносится по организму током крови от тонких подкожных капилляров, а также передается внутренним органам за счет теплопроводности тканей организма. Как известно, белок в живых клетках свёртывается при температуре ~42 ° С, поэтому локальный перегрев тканей приводит к частичному отмиранию клеток. Такое излучение по классификации относится к «жёсткому», и при длительном воздействии оказывает негативное влияние на кожные покровы (аналогично тому, как лица и руки у людей, часто и подолгу просиживающих у костра, преждевременно стареют и увядают). К тому же при такой высокой температуре в полной мере проявляется эффект «выжигания» кислорода, да и пожарная безопасность оставляет желать лучшего. Применение высокотемпературных ИК–нагревателей, таким образом, можно считать удачным решением в основном в тех случаях, когда необходимо создать небольшой обогреваемый участок при высоких потолках, где человек будет находиться не постоянно, а время от времени, например, в цехах.
Длинноволновые ИК-обогреватели (100-200 ° С), предназначенные для обогрева жилых помещений, являются более предпочтительными. Однако достаточно высокая температура поверхности во избежание риска случайных ожогов не позволяет располагать их в доступной человеку области в нижней части помещения, поэтому их исполнение, как правило, потолочное. При этом человек в зоне таких обогревателей неизбежно испытывает дискомфорт, связанный с перегревом головы и холодом в ногах.
Наиболее комфортным и экологичным следует признать лучистый обогрев жилых помещений, использующий температуру излучающих поверхностей излучателя, не превышающую 50-70 °С. При такой температуре излучателя достигается максимальная эффективность отопления помещений. Как известно, КПД любого теплового прибора равен 100%, то есть вся подведенная мощность преобразуется в тепло. Однако эффективность отопления помещений связана не с температурой воздуха, достигнутой при заданной мощности обогревателя в помещении, а с достижением теплового комфорта для находящихся в нем людей. Как было показано выше, при температуре излучателя ~50-70 °С максимум в энергетическом спектре излучения лежит в диапазоне 8,9-9,4 мкм. Это, например, температура кирпичной стены традиционной русской печи или теплого песка на пляже. Для такого «мягкого» ИК–излучения одежда и кожные покровы полупрозрачны, оно глубоко проникает в организм и согревает его быстро и максимально эффективно. Организм человека адаптирован к такому лучистому теплу на протяжении всего процесса биологической эволюции и эти лучи необходимы для нормальной жизнедеятельности организма так же, как пища, воздух и вода. Поэтому издавна подмечен оздоравливающий эффект южных пляжей, теплого мрамора в римских термах, кирпичной лежанки русской печи. Локальный нагрев внутренних тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процесса обмена веществ. Известно, что максимум интенсивности в сплошном спектре излучения и поглощения тела человека (~37 ° С) приходится на длину волны, равную 9,3-9,5 мкм, причем именно на этой длине волны имеет место наибольшая глубина проникновения ИК-излучения в тело человека (В.М.Боголюбов, Г.Н.Пономаренко, «Общая физиотерапия», М., Медицина, 1999, стр. 151).
В живых организмах образуются биологические кристаллы, построенные из биологических макромолекул – белков, нуклеиновых кислот или вирусных частиц. Сложные химические окислительно-восстановительные реакции, реакции расщепления и синтеза, процессы образования, роста и растворения биокристаллов и другие биохимические процессы, происходящие в тканях и живых клетках здорового организма, обусловлены оптимальной температурой тела, отдельных органов и тканей организма. При прохождении мягкого ИК-излучения через ткани, если эти частоты соответствуют частоте тепловых процессов, протекающих в тканях организма, происходит его резонансное поглощение на частотах, совпадающих с некоторыми собственными колебательными и вращательными частотами молекул или с частотами колебаний кристаллической решетки биокристаллов. Такое мягкое ИК-излучение является биорезонансным для тканей живого организма и оказывает существенное позитивное влияние на протекающие в них биохимические процессы.
В холодное время года организм человека недостаточно получает от окружающих предметов лучистой энергии биорезонансного диапазона. Особенно это заметно, когда стены помещений уже остыли, а центральное отопление еще не включено. Именно в эти периоды чаще наблюдаются ОРВИ, эпидемии гриппа и другие вирусные заболевания. По всей вероятности это связано с тем, что при недостатке эндогенного тепла, связанном с малоподвижным образом жизни, и недостатке биорезонансного экзогенного тепла, исходящего от окружающих предметов и стен, снижается метаболизм клеток, в организме человека активнее идут процессы образования и роста биокристаллов, в том числе размножение вирусных биокристаллов, накапливаются шлаковые отложения, кристаллизуются камни в почках, печени, желчных протоках, откладываются соли в суставах и позвоночнике.
Резонансное поглощение тепла глубоко расположенными тканями организма повышает подвижность молекул в биокристаллах, увеличивает проницаемость клеточных мембран, активизирует процессы обмена веществ, разрушает биокристаллы болезнетворных вирусов и способствует растворению камней, солей тяжелых металлов, холестериновых бляшек и других отложений. Поэтому, для поддержания здоровья очень важным является регулярное использование полезных свойств биорезонансного экзогенного тепла.
Следует также отметить, что прогрев всего организма в целом до достижения состояния теплового комфорта по рассматриваемому способу предпочтительнее прогрева через кожные покровы по следующим причинам: -
- непосредственное поглощение тепла внутренними тканями требует меньших затрат энергии для достижения сходного результата;
- не требуется интенсивная вентиляция, так как воздух живой и в нем отсутствуют недоокисленные продукты распада содержащихся в воздухе органических соединений.
Поэтому, по всем показателям применение отопительных панелей мягкого ИК-излучения является наиболее предпочтительным.
Благодаря различным вариантам исполнения (плоские панели с металлической поверхностью, либо панели, предназначенные для покрытия керамической плиткой и другими отделочными материалами) их применение и способ установки может быть самым разнообразным – крепление на стену, устройство теплых подоконников и оконных проемов, теплые полы и т.д.).
В силу своей конструкции подобные панели являются абсолютно влагостойкими, электро– и пожаробезопасными, т.е. позволяют организовать отопление в помещениях даже с влажной и агрессивной средой (автомойки, производственные цеха, химические производства и т.п.). Так же их отличает высокая механическая и ударопрочность, т.е. применение в местах массового пользования и прохода больших потоков людей не является проблемой (антивандальное исполнение). Невысокая температура нагревательных элементов является гарантией их длительной и надежной службы.
Экономия электропотребления на отопление, по сравнению с отопителями конвективного типа, ИК–нагревателями и прочими подобными системами, составляет не менее 20–30%.
При использовании современных автоматов защиты от короткого замыкания и перегрузок, а также устройств защитного отключения по току утечки, вероятность пожара или поражения электрическим током близка к нулю.
Необходимо также сказать и об еще одном очень важном экологическом аспекте, являющимся не менее существенным для здоровья и хорошего самочувствия населения. Во всех отопительных системах, где используются заземленные металлические детали корпусов и воздуховодов (например, конвекторы, радиаторы, канальные вентиляторы и вентиляционные короба, тепловентиляторы и тепловые завесы, кондиционеры и т.п.), через которые идут постоянные конвективные либо принудительные потоки воздуха, неизбежно происходит т.н. «деионизация».
Как известно, нормальный уровень содержания в атмосфере отрицательно заряженных ионов составляет приблизительно 600–700 ед./см3. На морском побережье или высоко в горах это количество гораздо выше, и нахождение в таких местах благотворно действует на наш организм. Недаром в арсенале современных физиотерапевтов существует даже такое средство, как «кабинеты горного воздуха», где пациенты специально дышат сильно ионизированным воздухом.
Так вот, при использовании металлических радиаторов и конвекторов количество отрицательных ионов в воздухе снижается в 8–10 раз т.е. до 50–100 ед/см3!
Чтобы как-то компенсировать эту недостачу, приходится применять разнообразные дополнительные устройства ионизации воздуха, самым известным из которых, очевидно, является «люстра Чижевского», применение которой сопряжено с вредным для здоровья сопутствующим эффектом озонирования воздуха.
И в свете всего вышесказанного вне всякой конкуренции находятся, безусловно, ИК-обогреватели и электроотопительные панели, при использовании которых процесс деионизации либо отсутствует вовсе, либо снижение происходит на практически неощутимые 1–2%.
Итак, как вы видите, сегодня у центрального отопления появились достойные и перспективные конкуренты, и на наших глазах начинает происходить последовательный переход к автономным системам отопления.
Внутри же самих автономных систем традиционное отопление с его большими капитальными и эксплуатационными затратами начинает уступать воздушному и прямому электрическому.
В дополнение хотелось бы немного коснуться перспектив развития современных систем отопления и связанных с этим проблем. Сравнительный экологический анализ воздействия тепла на организм человека и способов его получения при применении различных систем отопления показывает, что наиболее перспективным для массового применения в жилищном и гражданском строительстве является прямое электрическое отопление (ПЭО) с использованием отопительных панелей мягкого ИК-излучения.
Такие системы не только экологичны, но и гигиеничны, комфортны, взрыво- и пожаро- безопасны, надежны и долговечны, и, что не менее важно, эффективны, экономичны и не дороги. Консерватизм применения в массовом городском строительстве систем центрального отопления приводит не только к неэффективному использованию материальных и энергетических ресурсов страны, но и ухудшению здоровья населения.
Наши предки, жившие в избах с печным отоплением, никогда в массовом порядке не страдали различного рода аллергиями, онкологическими и сердечно-сосудистыми заболеваниями, гипертонией, отложением солей и камней, и т.п. болезнями, являющимися в основном следствием того, что мы недооцениваем влияние на здоровье людей экологии тепла и способов его получения.
Так, например, исследованиями американских ученых установлено, что онкологические заболевания в 20% случаев вызваны применением спиральных тепловентиляторов для отопления жилых помещений. А поразившая население эпидемия аллергических заболеваний, как всем известно, связана не только с экологией окружающей среды, с чистотой вдыхаемого воздуха, продуктов питания и воды, но и, в не меньшей степени, с экологией жилища и экологией тепла.
Серьезных исследований в этой области не проводится, хотя эта проблема актуальна и имеет общегосударственное значение. Особенно это касается здоровья подрастающего поколения. Необходимо проведение комплексных исследований, образовательных и разъяснительных мероприятий среди населения, застройщиков и проектировщиков.
В первую очередь необходимо обратить особое внимание на экологию тепла в школах, детских дошкольных учреждениях, больницах и здравницах. Применение отопительных систем мягкого тепла позволит в первую очередь существенно сократить количество простудных и вирусных заболеваний среди детей и людей с ослабленным здоровьем и уменьшить вероятность проявления у них в будущем серьезных заболеваний, сократить масштабы эпидемий гриппа.
Постепенный переход на прямое электроотопление неизбежно повлечет за собой повышенный спрос на электроэнергию, поэтому необходимо на общегосударственном уровне развивать электроэнергетику, поддерживать и стимулировать развитие ветроэнергетических установок в коттеджном и сельском строительстве.
Экология воздушного бассейна в жилых массивах и без того оставляет желать лучшего. Принимаются правительственные программы по снижению автомобильного выхлопа, и при этом усиленными темпами идет развитие автономных мини котельных.
Учитывая также, что системы отопления с мягким ИК-излучением имеют такое немаловажное преимущество, как возможность исполнения в теплоаккумулирующем варианте (по аналогии с русской печью), широкое их внедрение с использованием многотарифной системы оплаты за электроэнергию, позволит сократить пиковые нагрузки на энергосистему.
В заключение несколько слов о дальнейшем развитии отопительного и греющего оборудования мягкого ИК-излучения. Современный уровень развития техники и технологии, ценовая доступность приборов для управления и поддержания заданной температуры электротеплового оборудования и изделий, позволило разработать целую гамму греющих или обогревающих бытовых изделий массового спроса.
К ним относятся: подогреваемая мебель – стулья, столы, скамейки и лежанки, теплокерамические грелки и т.п. Органично вписываясь в современный интерьер квартир, такие предметы служат не только отопительными изделиями, но и, что более важно, являются лечебными и профилактическими.