Ogrzewanie promiennikowe

Promieniowanie IR

Promienniki to urządzenia grzewcze, które większość energii oddają do otoczenia w formie promieniowania podczerwonego (ang. infrared – IR). Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi (tab. 1).

Promieniowanie podczerwone emitują wszystkie ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego (–273,15°C, tj. 0 K). Długość fali i intensywność tego promieniowania zależą od temperatury źródła. Im jest ona wyższa, tym krótsza jest emitowana fala i wyższa jej częstotliwość oraz intensywność promieniowania cieplnego.

Funkcjonuje kilka podziałów podczerwieni na mniejsze przedziały pasm. Jednym z nich jest podział na:

• NIR (near infrared) 0,78–5 mm,
• MIR (mid infrared) 5–30 mm,
• FIR (far infrared) 30–1000 mm.

Inny podział zastosował jeden z producentów lamp grzewczych [8], na fale:

• krótkie – IR-A (0,8–1,4 mm),
• średnie – IR-B (1,4–3 mm),
• długie – IR-C (3–10 mm).

Można się też spotkać z podziałem na:

• NIR (near infrared) 0,75–1,4 mm,
• SWIR (short wavelength infrared) 1,4–3 mm,
• MWIR (mid wavelength infrared) 3–8 mm,
• LWIR/TIR (long wavelength infrared/thermal infrared) 8–15 mm,
• FIR (far infrared) 15–1000 mm [7].

Podziały te mają znaczenie, kiedy porównuje się różne typy promienników pod względem temperatury ich pracy i długości fali oraz zasięgu promieniowania. Jak duży jest przedział temperatur dla urządzeń stosowanych do ogrzewania, niech świadczy fakt, że w elektrycznych promiennikach kwarcowo-halogenowych temperatura żarnika wynosi 2200°C, a w wodnym grzejniku promiennikowym poniżej 100°C.

Temperatury promienników

Od temperatury zależy długość fali i intensywność jej promieniowania, a tym samym skuteczny zasięg promieni i stosunek energii przekazywanej do otoczenia w formie promieniowania i konwekcji.

Im wyższa temperatura, tym promieniowanie intensywniejsze i w mniejszym stopniu pochłaniane przez powietrze. Właściwości promienników o różnych temperaturach i długościach fal warunkują ich zastosowanie. Jedne są optymalne dla ogrzewania niskich pomieszczeń mieszkalnych i biurowych, inne w kościołach, a jeszcze inne w dużych obiektach przemysłowych lub na zewnątrz.

W promiennikach o temperaturze pracy 1500–2300°C (elektryczne lampy kwarcowo­‑halogenowe) maksymalne natężenie strumienia energii przypada na długość fali ok. 1,6 mm. Ta fala nie jest pochłaniana przez powietrze i można ją skutecznie skupić lustrami reflektorów i ukierunkować na ściśle określone obszary.

Energia z takich promienników dociera praktycznie bez strat na znaczne odległości i urządzenia te są optymalne do ogrzewania powierzchni na wolnym powietrzu (np. trybun na stadionach) oraz wszędzie tam, gdzie trzeba uzyskać natychmiastowe działanie w ściśle określonym czasie i dla konkretnej oraz oddalonej powierzchni.

Warto tu odnotować, że ten zakres promieniowania uznawany jest za najlepszy do ogrzewania starych kościołów z freskami i malowidłami ściennymi, gdyż taki rodzaj ogrzewania ma najmniejszy udział konwekcji i tym samym ograniczone są ruchy powietrza wywołane ogrzewaniem oraz wykraplanie się wilgoci i osiadanie kurzu na ścianach i suficie.

Do nowych, często używanych świątyń z dobrze izolowanymi przegrodami i wentylacją mechaniczną zaleca się coraz częściej wodne niskotemperaturowe promiennikowe ogrzewanie płaszczyznowe (ścienne i podłogowe), które może też pełnić funkcję chłodzenia.

Promienniki o temperaturze 1100–1400°C (elektryczne lampy kwarcowe) emitują najwięcej energii w zakresie fali o długości 1,8–2,8 mm. W tym zakresie zdecydowana większość energii dociera w formie promieniowania do ogrzewanych powierzchni. Jednak w miarę wzrostu odległości ten stosunek ulega zmianie. Powietrze absorbuje bowiem część promieniowania i trudno jest je przesyłać na duże odległości. 

Atutem promienników pracujących w tym zakresie fali jest to, że zasilające je lampy nie emitują mocnego światła (fali elektromagnetycznej w zakresie promieniowania widzialnego).

W promiennikach o temperaturze pracy 800–1000°C (np. jasnych gazowych ceramicznych) najwięcej energii emitowane jest w postaci fali o dł. 2,5–2,8 mm. Wprawdzie powietrze absorbuje sporą część tej energii, jednak urządzenia te są skuteczne w ogrzewaniu obiektów wysokich. 

Ten zakres fali nie poddaje się już tak skutecznemu skupianiu i kierowaniu za pomocą luster reflektorów na ściśle wybrane i bardzo oddalone powierzchnie, ale dzięki odpowiedniej budowie skutecznie odbijają one rozproszoną wiązkę promieni w kierunku powierzchni ogrzewanej.

Urządzenia, których temperatura pracy wynosi 300–400°C (m.in. ciemne gazowe promienniki rurowe), emitują większość energii w zakresie od 4 do 7 mm i jest ona w znacznym stopniu absorbowana przez powietrze. Z jednej strony mają nieduży zasięg, ale jednocześnie mogą być używane w niezbyt wysokich pomieszczeniach. Promieni tych nie można kierować za pomocą luster reflektorów, dlatego promienniki otacza się dużymi elementami ceramicznymi do odbijania promieni w kierunku powierzchni ogrzewanych.

W urządzeniach grzewczych osiągających temperatury poniżej 100°C powstaje fala elektromagnetyczna o długości 5–15 mm. Promienie te mają niewielki zasięg, ale jest on skuteczny w małych i niewysokich pomieszczeniach, np. mieszkalnych czy biurowych, zapewniając komfort ich użytkownikom. 

Promiennikowe panele sufitowe i ścienne mogą łączyć funkcje ogrzewania i chłodzenia, być zasilane niskoparametrowymi źródłami ciepła (pompami ciepła) i zapewnić komfort w pomieszczeniu mieszkalnym lub biurowym już przy parametrach zasilania 35–42°C.

Wodne promienniki podsufitowe o temperaturze poniżej 100°C stosuje się też do ogrzewania wysokich pomieszczeń, takich jak hale montażowe i magazynowe, oraz tam, gdzie względy bezpieczeństwa ograniczają użycie wysokotemperaturowych urządzeń gazowych lub elektrycznych, a także w obiektach, w których pożądany jest równomierny rozkład promieniowania i zapewnienie wysokiego komfortu pracownikom.

Atutem tych promienników jest też to, że mogą być zasilane tanią energią (np. pompami ciepła z gruntowymi wymiennikami) lub energią odpadową z procesów przemysłowych. 

Temperatury w obiekcie 

Przyjmuje się, że przy tej samej odczuwalnej dla człowieka temperaturze w pomieszczeniu ogrzewanym promiennikami można utrzymywać temperaturę powietrza niższą o 2–4°C niż w pomieszczeniu ogrzewanym konwekcyjnie [4–6]. W konsekwencji zużycie energii na potrzeby grzewcze zmniejsza się o 10–25%. W wielu obiektach nie jest wymagane stałe ogrzewanie pomieszczeń lub wszystkich stref i tym samym można je okresowo wyłączać. Promienniki pozwalają zaś na szybkie uzyskanie komfortu po okresie braku ogrzewania. 

Ten system pozwala też na osiągnięcie niskiego gradientu temperatury pomiędzy strefą pod sufitem a strefą przebywania ludzi, co ma szczególne znaczenie w budynkach wysokich. Gradient temperatury dla promienników wynosi ok. 0,3°C/m, a dla tradycyjnego ogrzewania konwekcyjnego ponad 2,5°C/m. 

Lokalizacja urządzeń 

Człowiek znajdujący się w polu działania promiennika absorbuje promienie i odczuwa wzrost temperatury tylko w tej części ciała, która jest wyeksponowana na promieniowanie. Zatem optymalne jest równomierne pokrycie promieniami strefy przebywania ludzi w celu uniknięcia odczuwania przez nich różnic w temperaturze poszczególnych części ciała. W niektórych przypadkach, wynikających z np. procesów technologicznych, odchodzi się od równomiernego pokrywania tej strefy promieniowaniem. 

Istotny jest również wpływ intensywności promieniowania na człowieka. Przyjmuje się, że moc przypadająca na 1 m² powierzchni powinna się zawierać w przedziale 100–250 W/m² w zależności od warunków wewnętrznych panujących w pomieszczeniu oraz jego przeznaczenia [4]. Producenci podają minimalne odległości promienników od stref przebywania ludzi dla każdego ze swoich urządzeń. 

Np. dla promienników jasnych gazowych zalecana minimalna wysokość instalowania to 4,5–5 m, a dla ciemnych gazowych 4,0 m przy montażu sufitowym i 3,5 m przy montażu ściennym. Warto też wziąć pod uwagę możliwość zainstalowania promienników na wysokości wynikającej z obecności innych instalacji lub urządzeń (np. suwnic w halach). 

Istotny wpływ na dobór promienników ma charakter i przeznaczenie obiektu oraz stosowana technologia produkcji, rodzaj urządzeń, a także rozmieszczenie stanowisk pracy, jej cykl, liczba pracowników itp. Określają one maksymalną temperaturę wewnętrzną oraz temperaturę dyżurną konieczną do zachowania w okresach nieużytkowania pomieszczeń.

Istotny jest też dostęp do nośników energii (gaz ziemny lub płynny, energia elektryczna) lub do sieci ciepłowniczej, a także do źródeł niskotemperaturowych. Ważne są również wymagania przeciwpożarowe dla danego obiektu z uwagi na jego konstrukcję, procesy technologiczne lub bezpieczeństwo ludzi.

Literatura

1. Januszajtis A., Fale, PWN, Warszawa 1991.
2. Litwin R., Teoria pola elektromagnetycznego, WNT, Warszawa 1969.
3. Szczeniowski S., Elektryczność i magnetyzm, PWN, Warszawa 1980.
4. Kowalczyk M., Gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni, ZNTC Solaren, Gdańsk 2004.
5. Koczyk H. (red.), Ogrzewnictwo praktyczne. Projektowanie, montaż, eksploatacja, SysTherm Serwis, Poznań 2005.
6. Reckangel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.R., Ogrzewanie i klimatyzacja. Poradnik, EWFE, Gdańsk 1994.
7. http://www.chemie.de/lexikon/Frequenzband.html.
8. Philips Entertainment Lamps catalogue, 2012.
9. Materiały firm: Drewart, Foko, Kampmann, Zehnder.