Ogrzewanie wielkokubaturowe

Bieżąca sytuacja energetyczna skłania firmy z sektora przemysłowego do poszukiwania bardziej energooszczędnych metod ogrzewania hal przemysłowych i magazynowych. Stworzenie odpowiednich warunków komfortu, zarówno dla ludzi, jak i procesów przemysłowych, to nadrzędne zadanie systemów grzewczych. Zainstalowane urządzenia muszą się przy tym charakteryzować najlepszym współczynnikiem kosztów, a w przypadku rewitalizacji – krótkim okresem zwrotu. Do ogrzewania dużych hal przemysłowych i sportowych stosuje się systemy grzewcze, których schematyczny podział przedstawiono na rys. 1.

Konwekcja czy promieniowanie

W systemach ogrzewania hal wykorzystywane są głównie dwa zjawiska fizyczne, a mianowicie konwekcja oraz promieniowanie. W systemach konwekcyjnych ciepło przekazywane jest bezpośrednio za pomocą powietrza lub wody. Do ogrzewania radiacyjnego wykorzystuje się ciepłe powierzchnie (promienniki ciemne, jasne oraz wodne). Zaliczane do systemów konwekcyjnych ogrzewanie podłogowe znajduje ograniczone zastosowanie w branży przemysłowej ze względu na małą powierzchnię posadzek, które nie byłyby zastawione.

Zadaniem obu rozwiązań jest uzyskanie założonych wartości definiujących komfort wewnętrzny w pomieszczeniu, takich jak: temperatura i jej gradient, prędkość powietrza oraz promieniowanie i jego gradient. Upraszczając, stwierdzić można, że w systemie konwekcyjnym ogrzewane jest najpierw powietrze, a następnie poprzez konwekcyjny przepływ ciepło oddawane jest elementom stałym i ludziom. Z kolei w przypadku promieniowania ogrzewani są najpierw ludzie i materiały (jeśli nie znajdują się w cieniu promienników), a dopiero później następuje konwekcyjny ruch powietrza.

Ponieważ system grzewczy w dużej części (jeśli nie w większości) tworzony jest z myślą o użytkownikach pomieszczeń, warto nadmienić, że człowiek blisko połowę swojego ciepła oddaje przez promieniowanie, a drugą połowę – w ramach konwekcji. Zatem dla prawidłowego bilansu zasadnym jest, by w takich samych proporcjach te straty energii „odzyskał”.

Gradienty temperaturowe

W praktyce w obu systemach występują konwekcyjne ruchy powietrza. W obydwu przypadkach są to ruchy niejednorodne, co prowadzi do powstawania pionowych i poziomych gradientów temperaturowych. Chłodniejsze, a zatem cięższe powietrze gromadzi się w dolnych partiach, a cieplejsze – w górnych. Zjawisko powstawania pionowych gradientów może być wykorzystywane do optymalnej eksploatacji systemu grzewczego. Możliwe jest wpięcie tych gradientów w system sterowania i w zależności od sytuacji aktywne sterowanie strumieniem nawiewnym.

Redukcja temperatury powietrza

W celu poprawnego termicznego opisu warunków panujących w pomieszczeniu wprowadzono pojęcie temperatury odczuwalnej tod odnoszące się do temperatury odczuwanej przez użytkownika. Opisana jest ona równaniem:

gdzie:
tod – temperatura odczuwalna [°C],
tp – temperatura powietrza [°C],
tr – temperatura promieniowania [°C].
W wytycznych BHP wymagana jest np. temperatura odczuwalna w wysokości 17°C.

Wykorzystywanie różnych zjawisk fizycznych umożliwia dostosowanie się do wymagań danego budynku. Nie istnieje rozwiązanie idealne, cechy urządzeń będące zaletami w jednym przypadku, w innej sytuacji mogą być wadami. Np. w źle zaizolowanych termicznie lub nieszczelnych halach ogrzewanie promieniowe (np. promiennikami wodnymi) będzie miało więcej zalet niż konwekcyjne (np. za pomocą nagrzewnic wodnych). Oceniając system, należy uwzględnić takie parametry jak:

• gradient temperatury,
• rozkład temperatury,
• dynamika systemu.

Bardzo istotnym parametrem jest pionowy gradient temperaturowy. W zależności od sposobu montażu nagrzewnicy uzyskuje się jego różne profile. Najkorzystniejszy pod tym względem i zarazem najczęściej stosowany jest montaż pionowy pod sufitem, gdyż nawet w dużych halach mierzone temperatury wzrastają pionowo o 0,15–0,3 K/m. Natomiast nie poleca się w tym wypadku naściennego montażu poziomego. Ogrzewanie bazujące na promieniowaniu to rozwiązanie bardzo korzystne pod względem rozkładu temperaturowego. Praktyka wskazuje, że w budynkach o wysokości nawet do 4 m nie występują pionowe różnice temperatur.

Ważnym parametrem podczas eksploatacji systemu jest dynamika jego reakcji, czyli czas nagrzewania i schładzania. Hale są użytkowane z różnym natężeniem, dlatego bardzo ważny jest czas, w jakim system osiągnie zadaną wartość po okresie postoju czy obniżenia temperatury. Przyjmuje się, że powinien on wynosić ok. pół godziny. Ogrzewanie konwekcyjne w tym przypadku wykazuje się dużą dynamiką, gdyż cała moc grzewcza służy podgrzaniu powietrza. Natomiast w przypadku promienników sam proces promieniowania jest bardzo szybki, jednak jedynie w połowie składa się on na temperaturę odczuwalną.

Równomierny rozkład temperatury nie służy jedynie stworzeniu komfortowego klimatu w pomieszczeniach, wymagają tego również niejednokrotnie założenia produkcyjne. Uzyskanie pożądanego w danym wypadku rozkładu temperatur umożliwiają aparaty grzewcze z nastawnym kątem żaluzji nawiewnych.

Wnioski

Wybór właściwego systemu grzewczego powinien być wynikiem merytorycznej analizy, obejmującej zarówno aspekty komfortu termicznego, jak i analizę kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Zastosowanie odpowiedniego systemu grzewczego uzależnione jest również od wymagań dotyczących wentylacji hali. Systemy grzewcze i wentylacyjne są bowiem zawsze powiązane ze sobą, często też się uzupełniają.

Literatura

1. Zeidler O., Danielak M. et. all, Experimental study of different air distribution systems for aircraft cabins, IndoorAir 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!