Promienniki rurowe w aspekcie wymagań normy PN-EN 416-2

Aspekty wyboru systemu ogrzewania w hali

W obiektach wielkokubaturowych możliwy jest wybór zarówno konwekcyjnego systemu ogrzewania, jak i przez promieniowanie, choć nie każdy rodzaj instalacji jest odpowiedni dla takich budynków [1]. Wybór ogrzewania zależy od specyfiki obiektu, a mianowicie:

• przeznaczenia pomieszczenia (hala produkcyjna, magazynowa, sportowa, handlowa, wystawowa, hangar czy kościół),

• czasu użytkowania obiektu w ciągu doby,

• rodzaju technologii, rozmieszczenia stanowisk pracy,

• wymiarów pomieszczenia i cech budowlanych – grubość i materiał przegród, stopień przeszklenia, wielkość bram wjazdowych, izolacyjność ścian i stropu,

• odstępów między słupami konstrukcyjnymi i wysokości torów suwnic lub innych przeszkód, jak na przykład instalacja tryskaczowa,

• sposobu wentylacji pomieszczenia,

• rodzaju dostępnego paliwa do ogrzewania,

• konieczności zapewnienia jednakowej temperatury w całym pomieszczeniu bądź temperatury komfortu w strefach przebywania ludzi,

• żądanej temperatury wewnątrz obiektu podczas jego funkcjonowania oraz temperatury dyżurnej.

Te liczne uwarunkowania powodują, że w halach wielkokubaturowych stosuje się ogrzewanie powietrzne bądź urządzenia promieniujące [1–5]. Oprócz warunków cieplnych istotnym zagadnieniem przy ich wyborze jest aspekt ekonomiczny.

W artykule [6] przeanalizowano systemy promieniujące stosowane powszechnie w halach wielkokubaturowych z użyciem promienników wodnych i ceramicznych gazowych. Dobrano urządzenia i porównano ich zapotrzebowanie na energię cieplną, a także systemu konwekcyjnego. Z obliczeń wynikało, że systemy z promiennikami są w przypadku wielkokubaturowych hal przemysłowych bardziej energooszczędne od systemu konwekcyjnego.

Systemy promieniujące przynoszą jednak różne oszczędności – w zależności od zastosowanych urządzeń i ich sposobu montażu. Na podstawie przeprowadzonej analizy dla przykładowej hali o wymiarach 46×20×6,5 m i zapotrzebowaniu na ciepło 150 kW, przy wymaganej temperaturze odczuwalnej 18°C, najbardziej energooszczędny okazał się system z gazowymi ceramicznymi promiennikami podczerwieni o sprawności radiacyjnej 77%, zamontowanymi na ścianie pod kątem 30° do posadzki.

Problem znaczenia sprawności ceramicznych promienników gazowych poruszono w publikacji [7], gdyż jak wynika z doświadczeń projektantów i producentów, w hali ogrzewanej promiennikami gazowymi może dochodzić do niedogrzania i dyskomfortu cieplnego pracowników. Wynika to często ze źle dobranej liczby urządzeń i ich mocy. Większość projektantów kieruje się bowiem przy doborze liczby urządzeń mocą cieplną promienników, a nie mocą promieniowania wysyłaną w kierunku strefy przebywania ludzi.

Sprawność radiacyjna promienników bez izolacji lub z bardzo słabą izolacją ekranu promieniującego wynosi 45–55%. Z tego względu zainstalowana moc cieplna urządzeń powinna być dwukrotnie wyższa, niż wynika z obliczeń mocy cieplnej. Niestety większość polskich producentów nie podaje w kartach katalogowych sprawności radiacyjnej swoich urządzeń. Wynika to z konieczności przeprowadzenia bardzo kosztownych badań promienników gazowych, niewykonywanych w Polsce, zgodnie z normą PN-EN 419-2 [8] dla promienników ceramicznych bądź PN-EN 416-2 [9] dla promienników rurowych.

Znaczenie elementów konstrukcyjnych ciemnych promienników gazowych

W zależności od konstrukcji promienników gazowych dzielą się one na urządzenia o wysokiej intensywności (ceramiczne) i niskiej (rurowe). Zasadnicza różnica w ich budowie wynika ze sposobu spalania mieszanki powietrzno-gazowej.

W promiennikach rurowych następuje ono wewnątrz rury rozgrzewanej do temperatury 600°C, a w ceramicznych  w widocznej, perforowanej, ceramicznej płytce palnika, rozgrzewanej do ok. 950°C, wywołując efekt promieniowania cieplnego – widzialnego od rozżarzonych płytek palnika i niewidzialnego od reflektora.

Elementy konstrukcyjne urządzeń różnych producentów są podobne, ale to ich jakość będzie wpływać na sprawność promiennika, a tym samym na oszczędności w zużyciu gazu. Podstawowe elementy składowe promiennika rurowego to rura promieniująca, palnik i reflektor, który może być izolowany lub nie.

Na rynku można znaleźć produkty o sprawności radiacyjnej sięgającej 70% dzięki zaawansowanej technologii wykorzystanej do wykonania pełnej izolacji reflektora, odpowiedniej konstrukcji palnika i laminarnego ukształtowaniu płomienia wewnątrz rur promieniujących oraz dzięki użyciu specjalnie dobranych materiałów konstrukcyjnych [10, 11]. W tabeli 1 porównano cechy konstrukcyjne i ich wpływ na jakość działania dwóch promienników różniących się wielkością sprawności radiacyjnej.

Jak wynika z porównania, choć elementy wszystkich promienników wyglądają bardzo podobnie, ich jakość może być bardzo różna. Wysoka jakość urządzenia będzie oczywiście wpływać na jego cenę, ale przede wszystkim na sprawność i koszty eksploatacyjne.

Dużo wyższą sprawność uzyskamy dzięki izolacji ekranu promieniującego, przy czym należy mieć świadomość, że jakość tej izolacji też ma ogromne znaczenie, gdyż może się okazać, że po sezonie grzewczym utraci ona własność złej przewodności i mimo zastosowania izolacji straty przez konwekcję będą sięgały 40%.

Sprawność promienników gazowych

Przy doborze promienników projektant powinien się kierować mocą urządzenia, nie zapominając o jego sprawności radiacyjnej. Jak wspomniano, w większości kart katalogowych producentów podawana jest sprawność cieplna promiennika h_c, tylko niektórzy producenci podają również sprawność radiacyjną (tabela 2).

Na rys. 1 pokazano bilans mocy dla promiennika gazowego. Do ogrzewania budynków wykorzystywane jest ciepło oddawane przez promieniowanie Q_R, a ciepło oddawane przez konwekcję Q_SK jest z punktu widzenia ogrzewania ciepłem straconym [12].

Przy doborze liczby i mocy promienników powinna zatem być uwzględniana sprawność radiacyjna promienników na poziomie 45-80%, a nie sprawność cieplna podawana w kartach katalogowych o wartości ok. 95%.

Moc cieplna promienników to moc palników, a rzeczywista wartość mocy radiacyjnej promiennika wynika z uwzględnienia sprawności radiacyjnej, tzw. kierunkowej mocy promiennika h_R, obliczanej ze wzoru [13]:

          (1)

gdzie:
h_R – sprawność radiacyjna (kierunkowa) [%],
Q_R – moc promieniowania wysyłana w żądanym kierunku [kW],
Q_c – moc całkowita promiennika [kW].

Sprawność radiacyjna może być również wyznaczona w oparciu o sumę strat konwekcyjnych i radiacyjnych z elementów konstrukcyjnych promiennika oraz strat ciepła w spalinach, ze wzoru:

     (2)

gdzie:
Q_SK – moc strat ciepła na drodze konwekcji z elementów konstrukcyjnych do otoczenia [kW],
Q_SR – moc strat ciepła na drodze promieniowania z elementów konstrukcyjnych w niepożądanym kierunku [kW],
Q_SP – moc strat ciepła w spalinach [kW].

Sprawność cieplną promiennika hc oblicza się następująco:

    (3)

Współczynnik promieniowania R_f

W najnowszych kartach katalogowych producentów podawany jest współczynnik promieniowania. Zgodnie z aktualnymi normami [9] jest on parametrem decydującym o jakości promiennika, czyli racjonalnym zużyciu energii.

Współczynnik promieniowania R_f definiowany jest jako stosunek ilości ciepła emitowanego z urządzenia przez referencyjną płaszczyznę promieniowania do obciążenia cieplnego odniesionego do wartości opałowej gazu stosowanego w badaniu, a obliczany ze wzoru:

               (4)

gdzie:
Q_(R)c – moc promieniowania po korekcji ze względu na absorpcję promieniowania w powietrzu[W],
Q_m – zmierzona wartość obciążenia cieplnego według wartości opałowej gazu do bada­nia [W].

Wartości współczynników promieniowania zgodnie z [9] podano w tabeli 3.

Okazuje się jednak, że kwestia współczynnika promieniowania promienników rurowych nie jest oczywista. Jeśli projektant odczyta z karty katalogowej wartość współczynnika promieniowania 72,8 (wartość najwyższa wśród urządzeń dostępnych na polskim rynku), nie oznacza to w rzeczywistości, że jest to urządzenie o najwyższej sprawności promieniowania i najbardziej energooszczędne.

Dzieje się tak, ponieważ norma [9] dopuszcza dwie metody oznaczania współczynnika promieniowania – A i B, istnieją jednak wątpliwości co do poprawności stosowania pierwszej metody.

Europejskie stowarzyszenie producentów promienników ELVHIS [14], propagujące informacje, wymianę doświadczeń i promujące badania z udziałem promienników gazowych, podaje, że metoda pomiaru A zgodnie z [9] powinna zostać odrzucona, ponieważ wyniki mogą być obarczone błędem ze względu na silny wpływ promieniowania wtórnego, takiego jak podłoga i sufit.

Wyniki pomiaru współczynnika promieniowania dla promiennika tej samej mocy oznaczone metodą A i B będą różne, przy czym dla metody A będą wyższe (niewiarygodne). Dlatego metoda A będzie wyeliminowana z norm stosowanych w Europie i Ameryce Północnej.

Również fakt, że testy metodą A mogą być przeprowadzone w budynku z istniejącą instalacją zamiast w laboratorium, czyni ją przestarzałą, niespełniającą odpowiednich standardów. ELVHIS podaje, że metoda B została uznana za standard. Wskazane jest zatem kierowanie się przy doborze promienników rurowych wartością współczynnika promieniowania oznaczoną metodą B zgodnie z [9].

W kartach katalogowych promienników nie podaje się najczęściej, za pomocą której metody przeprowadzono pomiar, a przedstawiciele handlowi nie zawsze potrafią odpowiedzieć na takie pytanie.

Wnioski

Z wysoką jakością promiennika spełniającego wymagania dotyczące racjonalnego zużycia energii zgodnie z EN 416-2 wiążą się wyższe koszty inwestycyjne. Jednak efekty ogrzewania, jakie można uzyskać dzięki wysokiej sprawności radiacyjnej promiennika, wpłyną na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych.

Wiarygodną wielkością charakteryzującą jakość promiennika, a więc efektywność przekazywania ciepła przez promieniowanie do otoczenia, jest współczynnik promieniowania Rf oznaczany zgodnie z normą EN 416-2. Europejskie stowarzyszenie producentów promienników zaleca, żeby był on określany za pomocą metody B, która spełnia odpowiednie standardy.

Trwają obecnie prace nad usunięciem metody A z normy. Projektanci i inwestorzy przez jakiś czas nadal będą mieli wątpliwości co do jakości wybieranych urządzeń, gdyż podawane w kartach katalogowych wartości sprawności radiacyjnej czy współczynnika promieniowania mogą być określane za pomocą różnych metod, zdarza się również, że są one wyznaczane przez instytucje z użyciem jeszcze innych metod, niezgodnych z aktualną normą.

Literatura

1. Kosieradzki J., Ogrzewanie hal przemysłowych – konwekcja czy promieniowanie?, „Rynek Instalacyjny” nr  4/2012.

2. Joniec W., Ogrzewanie promiennikowe, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2012.

3. Joniec W., Ogrzewanie dużych obiektów, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2012.

4. Danielak M., Ogrzewanie wielkokubaturowe, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011.

5. Niewiążący przewodnik dobrej praktyki wdrażania dyrektywy 2006/25/WE (Sztuczne promieniowanie optyczne) Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Zatrudnienia, Spraw Społecznych i Włączenia Społecznego, Dział B.3 (tekst ukończono w czerwcu 2010 r.).

6. Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Analiza zużycia energii dla grzewczych systemów promieniujących, Rocznik Ochrona Środowiska, 2013, t. 15, cz. 3.

7. Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Wpływ sprawności promienników podczerwieni na koszt zużycia energii, Rocznik Ochrona Środowiska, 2013, t. 15, cz. 2.

8. PN-EN 419-2:2012P Gazowe promienniki wysokotemperaturowe do stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych. Część 2: Racjonalne zużycie energii.

9. PN-EN 416-2:2010P Gazowe jednopalnikowe promienniki niskotemperaturowe do stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych. Część 2: Racjonalne zużycie ­energii.

10. www.schwank.pl.

11. promienniki.boren.pl.

12. Cihelka J., Ogrzewanie przez promieniowanie, Arkady, Warszawa 1965.

13. Koczyk H. (red.), Ogrzewnictwo praktyczne, Systherm Serwis, Poznań 2005.

European Leading Association of Luminous Radiant Gas Heater Manufacturers (ELVHIS), www.elvhis.eu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!