Ogrzewanie hal przemysłowych. Konwekcja czy promieniowanie?

Dlaczego do ogrzewania hal przemysłowych nie zastosować tradycyjnego ogrzewania grzejnikowego i nie umieścić grzejników na ścianach zewnętrznych hali, jak to się powszechnie robiło kiedyś? Przyczyna tkwi w bezwładności takiej metody ogrzewania. Ogrzewanie grzejnikowe bardzo wolno reaguje na zmiany warunków w hali i nie daje pożądanych efektów przy okresowym wyłączaniu, kiedy zmniejsza się zużycie ciepła, jeśli hala nie jest użytkowana.

Natomiast ogrzewanie powietrzne albo przez promieniowanie taką możliwość daje, gdyż jego bezwładność jest mała, i szybko zapewnia w pomieszczeniu wymagane parametry, bez zbędnej utraty komfortu cieplnego odczuwanego przez pracujące w hali przemysłowej osoby. Halowe systemy grzewcze można podzielić na centralne i rozproszone (rys. 1). Dotyczy to zarówno ogrzewania powietrznego, jak i przez promieniowanie.

Ogrzewanie powietrzne

Przy projektowaniu ogrzewania powietrznego można przyjąć do obliczeń tylko powietrze obiegowe albo powiązać ogrzewanie z wentylacją, zapewniając w ten sposób nie tylko odpowiednią temperaturę, ale także świeże powietrze osobom pracującym w hali. Przy sporządzaniu bilansu ciepła i powietrza w pierwszym przypadku (powietrze obiegowe) liczy się tylko podstawowe straty ciepła przez przegrody, w drugim zaś trzeba uwzględnić dodatkowo ciepło potrzebne do ogrzania dostarczanego powietrza zewnętrznego.

Strumień powietrza obiegowego V oblicza się na podstawie strat ciepła Q_str:

gdzie:

V – strumień powietrza [m³/s],

Q_str – obliczone straty ciepła [kJ/s],

ΔT = t_n – t_p (temp. powietrza nawiewanego – temp. w pomieszczeniu) [°C],

ρ – gęstość powietrza [kg/m³],

c – ciepło właściwe powietrza [kJ/(kgK)].

Przyjmuje się, że temperatura nawiewu dla warunków przemysłowych powinna się zawierać w przedziale 40–60°C, a dla warunków komfortu 30–45°C. Jak wspomniano wcześniej, w przypadku połączenia ogrzewania z wentylacją do zaplanowanej mocy nagrzewnic należy dodać moc potrzebną do ogrzania powietrza zewnętrznego.

gdzie:

t_z – temp. powietrza zewnętrznego [°C],

V_z – strumień powietrza zewnętrznego [m³/s].

Jednak ustalenie mocy nagrzewnic to dopiero początek zadania, z którym projektant musi się zmierzyć. Większym problemem jest prawidłowe dobranie wielkości strumieni powietrza w poszczególnych urządzeniach oraz ich zasięgu, co wiąże się też z prędkością nawiewanego powietrza. Wbrew pozorom prawidłowe dobranie tych parametrów nie jest sprawą prostą.

Ciepłe powietrze, nawet skierowane do strefy przebywania ludzi, szybko zmienia kierunek i unosi się do góry. W celu ponownego skierowania go do strefy roboczej korzysta się z tzw. destratyfikatorów [3], które wymuszają przepływ strumienia tego powietrza z górnych warstw do dolnych. Centralne przygotowanie ciepłego powietrza ustępuje coraz częściej ogrzewaniu rozproszonemu, które uważane jest za bardziej elastyczne.

Na ogrzewanie centralne składa się najczęściej centrala wentylacyjna z blokami nagrzewnic i siecią kanałów, które trzeba wykonać, aby doprowadzić powietrze (ciepło) do żądanego miejsca. Aby ten problem wyeliminować, producenci prześcigają się w unowocześnianiu ogrzewaczy powietrza. Są to nagrzewnice ścienne zawieszane na ścianach i słupach hali, w pobliżu strefy roboczej lub stojące na podłodze w pobliżu tej strefy.

Ogrzewacze stojące mają najczęściej własne źródło ciepła, którym mogą być palniki gazowe lub olejowe. Urządzenia te jednak zajmują miejsce na poziomie roboczym, a dodatkowo narażone są na uszkodzenie, np. przez pojazdy czy wózki. W wypadku agregatów powietrznych wiszących na słupach lub ścianach takie zagrożenie nie występuje. Źródłem ciepła dla nich może być gorąca woda, obecnie bardzo rzadko stosowana para wodna, gaz ziemny lub płynny albo olej opałowy, gdyż podobnie jak ogrzewacze stojące mogą mieć własne źródło ciepła.

Ogrzewanie radiacyjne

Przy ogrzewaniu konwekcyjnym ciepło przekazywane jest za pośrednictwem powietrza, natomiast w ogrzewaniu przez promieniowanie korzysta się z ciepłych powierzchni (cieplejszych od powierzchni ogrzewanej). Jak wiadomo, każde ciało wymienia ciepło przez promieniowanie, np. człowiek oddaje w ten sposób ok. 50% swojego ciepła.

Ciepło od promienników przekazywane jest bezpośrednio do ogrzewanych obiektów (nie mogą być one przysłonięte), a dopiero od nich ogrzewa się powietrze. To istotna cecha, gdyż w dużej hali można ogrzewać tylko te strefy, w których znajdują się ludzie.

Wymianę ciepła przez promieniowanie określa prawo Stefana–Boltzmana. Ilość wypromieniowanego ciepła zależy od temperatury powierzchni grzejnej i powierzchni  odbierającej ciepło, od barwy (stopnia czerni) obu powierzchni itp. Czynników, które wpływają na moc promiennika, jest dużo, co nie ułatwia obliczeń. Nie jest to jednak żadną przeszkodą w projektowaniu ogrzewania hali przez promieniowanie.

Producenci promienników podają w katalogach bardzo dokładne wyliczenia mocy tych urządzeń w zależności od warunków, w jakich będą one pracować. Źródłem energii dla promienników może być gorąca woda lub spaliny z palników gazowych czy olejowych. Te zasilane wodą to najczęściej cienkie wężownice rurowe umieszczone na ekranach odblaskowych kierujących promieniowanie cieplne w żądanym kierunku.

Promienniki spalinowe to rury o większej średnicy niż wodne, prowadzone pod dachem hali. Przepływające w nich spaliny ogrzewają rurę, która wypromieniowuje ciepło. Przyjęło się, że promienniki o wysokiej temperaturze nazywane są jasnymi, a te o niskiej temperaturze – ciemnymi.

W niektórych konstrukcjach promienników gazowych palnik podgrzewa elementy ceramiczne, które przekazują ciepło dalej. Konstrukcje takie można także spotkać w promiennikach opalanych gazem płynnym używanych do ogrzewania małych pomieszczeń lub miejsc pracy na zewnątrz, gdzie inny sposób ogrzewania nie zdałby egzaminu.

Wnioski

Istnieją hale, w których konieczne jest zapewnienie takiej samej temperatury w każdym miejscu. Nie osiągniemy tego, stosując promienniki, gdyż nie uda się tak zaprojektować ogrzewania, aby uniknąć miejsc zacienionych. Jednak w wypadku np. potężnych magazynów, gdzie przechowywany towar nie wymaga stałej temperatury, nie ma potrzeby ogrzewać całej hali – dobrym rozwiązaniem będzie zastosowanie promienników nad drogami transportowymi, po których poruszają się ludzie. Bilans cieplny ogrzewania takiej hali wypadnie z pewnością korzystniej.

Literatura

1. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo. Kompendium wiedzy, Wyd. OmniScala, Wrocław 2008.
2. Malicki M., Wentylacja przemysłowa, Arkady 1967.
3. Joniec W., Destratyfikatory powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011.
4. Danielak M., Ogrzewanie wielkokubaturowe, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011.
5. Ogrzewanie i wentylacja. Poradnik, Arkady 1966.