Ogrzewanie promiennikowe czy gazowe?

O trafnym wyborze decyduje ocena ogrzewanych pomieszczeń

Duże budynki, takie jak kompleksy produkcyjne i magazyny, stanowią jedyne w swoim rodzaju wyzwanie, jeśli chodzi o projektowanie systemów grzejnych. Budynki tego typu to nie tylko duże powierzchnie, zwykle są to hale z wysokimi nawami, w których można utworzyć dużą liczbę drzwi w górnej części, na obwodzie budynku. 

 Uważna ocena pomieszczeń, które wymagają ogrzania, pod kątem efektywności, sprawności i komfortu cieplnego pracowników, może być pomocna w podjęciu poprawnej decyzji, czy lepsze będzie zastosowanie ogrzewania promiennikowego, czy systemu grzewczego nawiewnego, spalającego gaz

 Zamontowane na stałe maszyny, takie jak obrabiarki i transportery, mogą być przeszkodą na drodze dystrybucji ciepła. Zanieczyszczenia, warstwy brudu i dymy mogą przeszkadzać w funkcjonowaniu systemów, w tym także wentylacji. Dwa najczęściej używane rozwiązania to nawiewne systemy grzewcze bezpośredniego spalania lub grzejniki podczerwieni o niskiej intensywności, skojarzone z wentylatorami wyciągowymi.

Systemy grzewcze nawiewne

Systemy te są przystosowane do przemieszczania dużych mas powietrza przy niskich różnicach temperatur (zwykle do 28°C). Aby zminimalizować rozkład temperatur (stratyfikację), urządzenia nawiewne są zwykle montowane na dachach budynków lub na wspornikach na kratownicach.

Zapewnia to dopływ powietrza z dużej wysokości, która gwarantuje większą strefę zasięgu powietrza, co wymaga mniejszej liczby urządzeń do pokrycia całej powierzchni podłogi. Najczęściej jako paliwo jest stosowany gaz ziemny, chociaż zespoły mogą również spalać propan. Jednostki ogrzewające powietrze, spalające gaz, mogą być typu bezpośredniego lub pośredniego (przeponowego).

Przeponowe urządzenia spalają mieszankę paliwowo–powietrzną wewnątrz wymiennika ciepła, podczas gdy powietrze nagrzewające pomieszczenie opływa powierzchnie zewnętrzne wymiennika ciepła. W tym rozwiązaniu produkty spalania są odprowadzane przez otwór wentylacyjny na zewnątrz budynku. W przypadku urządzeń spalania bezpośredniego spalane powietrze (spaliny) jest stosowane do ogrzewania przestrzeni bez stosowania wymiennika ciepła. Produkty spalania są mieszane bezpośrednio z dużą ilością powietrza zewnętrznego.

W budynkach szczelnych powstająca w wyniku spalania para wodna może w zimniejszym klimacie ulegać kondensacji. Dlatego uważa się, że w przypadku tego typu budynków najlepszym rozwiązaniem jest ogrzewanie przeponowe. Do wyboru jest kilka typowych konfiguracji takiego ogrzewania.

Urządzenia typu MUA (ang. Make Up Air) – uzupełniające powietrze – dostarczają ustaloną ilość powietrza, które pochodzi w 100% z zewnątrz. Służą one do zapewnienia dużej wymiany powietrza w systemach, gdzie powietrze jest usuwane (wywiewane). Stosuje się je między innymi do komór malowania natryskowego i innych zastosowań przemysłowych, wyposażonych w instalacje wyciągowe.

Inna konfiguracja to system recyrkulacji, gdzie 80% powietrza wewnętrznego jest mieszane z 20% powietrza zewnętrznego, które jest ogrzewane podczas przepływu nad palnikiem. Często nazywa się je jednostkami rotującymi powietrze. Zapewniają one minimum wentylacji w przestrzeniach, które nie wymagają dużych ilości powietrza zewnętrznego, aby utrzymać nadciśnienie wewnątrz budynku.

Kolejną ważną kategorią są jednostki ze stałą objętością, w których ilość powietrza zewnętrznego zmienia się od 100% do 20%. W tej opcji palnik wymaga odpowiedniego ustawienia i tylko powietrze zewnętrzne przechodzi przez palnik. Objętość powietrza wychodzącego jest ustalona, a ilość powietrza zewnętrznego jest automatycznie ustawiana tak, aby w budynku było zachowane ciśnienie dodatnie.

Jednostki ze zmienną objętością dostarczają zmienną ilość powietrza i tylko powietrze zewnętrzne przechodzi przez sekcję palnika. Powietrze recyrkulowane przechodzi przez sekcję bocznikową, a nie przez urządzenie grzewcze. Ten typ urządzeń jest stosowany, gdy wymagane jest nadciśnienie w budynku (system nawiewu) i gdzie zanieczyszczenia występujące w pomieszczeniu nie mogą być recyrkulowane.

W pomieszczeniach, w których poruszają się pojazdy, akumuluje się tlenek węgla i towarzyszące mu toksyczne spaliny. W takich przypadkach musi być zainstalowana wentylacja, tak aby ograniczyć gromadzenie się szkodliwych substancji. Zespoły wytwarzające nadciśnienie w tego typu budynkach powinny być wyposażone w czujnik tlenku węgla z ustawieniem startowym, który wywoła alarm i włączy zasilanie przekaźnika zwłocznego. Drugi punkt ustawienia powinien inicjować alarm i ostateczne wyłączenie palnika. Zasuwy powinny być ustawione na położenie wyciągowe. Gdy stężenie tlenku węgla powróci do bezpiecznego poziomu, czujnik powinien przywrócić jednostkę do trybu normalnej pracy.

Oprócz wentylacji alarmowej służącej do usunięcia tlenku węgla, jednostka nawiewna dodatkowo może zapewnić wentylację podczas upałów. Dwukierunkowo działający termostat moduluje powietrze zewnętrzne i przywraca zasuwę powietrza na takie położenie, aby dochodziło więcej powietrza zewnętrznego, pozwalającego na uzyskanie zakładanych parametrów wewnątrz pomieszczenia.

Zespoły te mogą być wyposażone albo w wodę lodową, albo w bezpośrednie chłodnicze parowniki z wężownicą, tak aby uzyskać ochłodzone lub klimatyzowane powietrze do pomieszczeń w czasie upałów. Zespoły nawiewne opalane bezpośrednio mają wydajność około 92%, z czego większość dostępnej energii pochodzącej ze spalania gazu ziemnego jest w postaci ciepła. Zasilający strumień powietrza absorbuje ciepło, które normalnie byłoby tracone przez kanał spalinowy lub rurę wydechową, jak to ma miejsce przy konfiguracji z przeponowym ogrzewaniem.

Sprzęt tego typu utrzymuje w pomieszczeniach nieznaczne nadciśnienie, redukując dopływ powietrza zimnego. Gdy drzwi położone wysoko są otwarte, zasuwy powietrza zewnętrznego są ustawiane na pozycję otwartą, tak aby dopuścić więcej powietrza i zachować utrzymanie wymaganego ciśnienia.

Ogrzewanie promiennikowe

Podczerwień jest to przekazywanie energii za pomocą fal elektromagnetycznych. Fale te mogą być odbijane i mogą ogrzewać stałe obiekty z pominięciem ogrzewania powietrza, które znajduje się między nimi. Energia podczerwieni emitowana przez grzejniki ogrzewa podłogi i obiekty, które następnie uwalniają ciepło do powietrza poprzez konwekcję. Reradiacja do otaczających obiektów ma również wpływ na komfort cieplny w pomieszczeniu. Promiennik można wyłączyć, gdy ogrzewanie nie jest potrzebne, a po włączeniu szybko można przywrócić wymaganą temperaturę w pomieszczeniu.

Są trzy kategorie urządzeń grzewczych na podczerwień:

• niskiej intensywności, o temperaturze źródła promieniowania od 150°C do 650°C,
• średniej intensywności o temperaturze źródła 650°C–980°C,
• wysokiej intensywności, które mają temperatury źródła od 980°C do 2760°C.

Opalane gazem promienniki podczerwieni o niskiej intensywności są najczęściej stosowane w pomieszczeniach takich jak magazyny i rozdzielnie. Przy instalacji systemu u klienta należy brać pod uwagę wysokość pomieszczenia, geometrię budynku, rozmieszczenie użytkowników, wymagany stopień nagrzania i rozmieszczenie rur.

Opalane gazem systemy grzewcze na podczerwień o niskiej intensywności składają się z szeregu palników, komór spalania, stalowych promienników rurowych i reflektorów. Urządzenie jest podwieszone do elementu konstrukcji i skierowane w stronę podłogi. Reflektory mogą być instalowane pod różnymi kątami, zależnie od geometrii budynku. Powietrze do spalania może być zasysane bezpośrednio z zewnątrz. Istnieją pewne naturalne ograniczenia w stosowaniu ogrzewania podczerwienią, wynikające z samej natury urządzenia. Zgodnie z zaleceniami poradnika 2000 ASHRAE Systems and Equipment Handbook (ang. ASHRAE – American Society Heating, Refrigerating, Airconditioning Engineers – Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Chłodnictwa), należy zachować następujące środki ostrożności przy stosowaniu ogrzewania promiennikowego:

• Promienniki mają wysoką temperaturę na powierzchni i nie powinno się ich używać, jeśli w otoczeniu występują palne pyły, gazy, pary lub jeśli atmosfera zawiera gazy, pary i pyły, które mogą ulegać rozkładowi do niebezpiecznych lub toksycznych materiałów w obecności wysokich temperatur i powietrza.
• Należy postępować zgodnie z zaleceniami producenta, zachowując odstęp pomiędzy osprzętem a paliwem. Napisy ostrzegawcze, podające, jakie odstępy należy zachować, powinny znajdować się w pobliżu osprzętu.
• Zalecenia producenta w zakresie odstępu pomiędzy osprzętem a miejscami przebywania personelu powinny być przestrzegane, aby zapobiegać narażeniu personelu na lokalne przegrzania.
• Powinny być stosowane odpowiednie urządzenia uzupełniające powietrze zużywane do procesu spalania przez grzejniki.
• Ze względu na komfort cieplny, personel powinien być chroniony przed przeciągami i przewiewami. Wydaje się, że lepszym rozwiązaniem od zwiększania gęstości cieplnej promieniowania jest stosowanie ekranów chroniących przed przewiewem.

Komfort cieplny

Właściwie zaprojektowany promiennikowy system ogrzewania zapewnia użytkownikom budynku doskonały komfort cieplny. Jest to szczególnie istotne w dużych halach z dużymi nawami, gdzie systemy z wymuszonym obiegiem powodują niekorzystną stratyfikację, z ciepłym powietrzem zalegającym przy stropie i zimnym powietrzem spływającym

na dół, na podłogę.

Ponieważ na obwodzie niektórych dużych budynków może być wiele drzwi, promiennikowy system grzewczy może być wtedy mniej efektywny na ścianie budynku, szczególnie narażonej na wiatry zimowe. Z drugiej strony, system nawiewny (z nadciśnieniem) może przemieszczać względnie ciepłe powietrze w kierunku otwartych drzwi, co pomaga w zapanowaniu nad przeciągami.

Również jeśli chodzi o uwarstwienie, systemy nawiewne działają korzystnie, przemieszczając duże ilości powietrza przy różnicach temperatur tak niewielkich jak 28°C. Należy wziąć pod uwagę, że temperatury projektowe wielu pomieszczeń są utrzymywane na dość niskim poziomie podczas miesięcy zimowych, a temperatura 23°C jest najbardziej typowa.

Wentylacja

Systemy grzewcze nawiewne ze spalaniem bezpośrednim mogą być konfigurowane tak, aby zapewnić wydajną wentylację pomieszczenia. Systemy promiennikowe wymagają czasem oddzielnego systemu wentylacyjnego. Przy niektórych klasach pomieszczeń system promiennikowy może nie wymagać dodatkowego wyposażenia wentylacyjnego, ponieważ duże budynki, posiadające wiele drzwi, będą miały zapewnioną wystarczającą wentylację naturalną poprzez te otwory. Natura niektórych pomieszczeń wymaga instalacji systemu stałej wentylacji ze względu na powstawanie zapachów, aerozoli i dymów.

Konserwacja

Elementy sprzętu grzejnego osadzone na bocznych prętach powinny być konserwowane raz do roku i może to wymagać stosowania podnośników. Jeśli maszyny, przenośniki lub inny sprzęt znajdują się w tym miejscu, może być wtedy potrzebny podnośnik z wysięgnikiem. Istnieją wątpliwości, czy reflektory podczerwieni powinny być czyszczone co roku, jak zaleca poradnik ASHRAE. Wiadomo również, że wielu użytkowników tego sprzętu nie wykonuje tej czynności tak często i nie obserwuje z tego powodu żadnych ujemnych skutków. Jeśli grzejniki promiennikowe są montowane na wysokości co najmniej 6 m nad podłogą, nie gromadzą zanieczyszczeń w takich ilościach, które mogłyby znacząco pogorszyć sprawność reflektora.

Wnioski

Każdy z systemów grzewczych, zarówno promiennikowy, jak i nawiewny, opalany gazem, jest dobrym rozwiązaniem do ogrzewania dużych hal przemysłowych i pomieszczeń magazynowych. W sytuacjach, gdy wymagana jest znaczna wentylacja, preferowane są rozwiązania ze stosowaniem nadciśnienia powietrza, tak samo jak w przypadku, gdy w pomieszczeniu powstaje kurz, zawiesiny lub inne zanieczyszczenia. Do środowisk czystszych, wymagających mniej intensywnej wentylacji, odpowiednie są rozwiązania z promiennikami podczerwieni. W bardzo zimnym klimacie korzystne może być rozwiązanie hybrydowe, wykorzystujące promiennikowe ogrzewanie na obwodzie budynku jako podstawowe źródło ciepła oraz jednostki zapewniające nawiew położone w centrum pomieszczenia, co zapewnia właściwą wentylację i nadciśnienie przy otwartych drzwiach.

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej

Autor:

Carl C. Schultz PE, URS Corp., USA