Принцип работы инфракрасных обогревателей

Естественное колебание молекул в теплопроводниках генерирует инфракрасное тепловое излучение, соответствующее спектру излучения солнца.

Инфракрасные лучи проникают через воздух на 98%. Энергия, содержащаяся в них, гораздо эффективнее поглощается пространственной оболочкой и предметами (мебелью, жильцами). Воздух нагревается во вторую очередь вследствие обратного тепловыделения от окружающих поверхностей и предметов в помещении.

Напротив, конвекционные обогреватели (радиаторы) в первую очередь нагревают помещение, нагревая комнатный воздух – наихудший теплоноситель. Нагретый воздух поднимается вверх, а холодный воздух течет снизу. Так образуется конвекционный поток.

Существенная разница температур в помещении между нагретым воздухом и холодными поверхностями наружных стен также сопровождается неравномерным распределением влаги.

В отличие от обычных обогревателей, инфракрасные обогреватели обеспечивают теплую пространственную оболочку, более низкую температуру воздуха и более равномерное распределение влаги. Это обеспечивает в целом более свежий воздух и комфортное тепло для ваших ног.

Тепловая энергия, полученная в результате преобразования поданной электрической энергии, включает в себя долю излучения, долю конвекции и долю теплопроводности.

Экономичность

Отопления с использованием электроэнергии обходится дорого только тогда, когда мы пытаемся в первую очередь нагреть воздух. Однако инфракрасные обогреватели нагревают главным образом пространственную оболочку. Вот почему для этого требуется температура на 3-4° C ниже. Поскольку на каждый дополнительный 1° C воздуха в помещении требуется на 6-7% больше отопительной энергии, в общем можно сэкономить более 20% тепловой энергии.

  • Снижение потерь при проветривании:
    За счет более низкой температуры воздуха в помещении теряется меньше тепловой энергии при проветривании.
  • Предотвращение трансмиссионных теплопотерь (сухие / влажные стены):Увлажнение наружных стен приводит к уменьшению изоляции и, следовательно, к снижению температур на внутренней стороне наружных стен. (Влажность 4% снижает коэффициент изоляции примерно на 50%.)Однако стены, обогреваемые инфракрасными лучами, остаются теплыми и имеют более высокую температуру, чем воздух. Высокая температура поверхностей препятствует поглощению стенами водяного пара и предотвращает трансмиссионные потери.Лучистое тепло
  • Низкие инвестиционные затраты
  • Отсутствие дополнительных расходов (например, на чистку дымохода)
  • Отсутствие необходимости в техническом обслуживании
  • На 100% регенеративная эксплуатация
  • Нет потребности в котельной или камине
  • Не нужны трубы отопления
  • Отсутствие риска повреждения помещений водой из-за прорыва трубы отопления

 

Тепловой комфорт

С точки зрения отопления и кондиционирования воздуха (тепловой) комфорт означает температуру окружающей среды и состояние воздуха, при которых человек чувствует себя наиболее комфортно. Система отопления должна способствовать комфортному микроклимату.

Объективным показателем комфорта является ощущаемая температура. Она зависит от

  • температуры воздуха в помещении
  • температуры излучения окружающей среды
  • распределения температуры воздуха (расслоения воздуха)
  • воздушного потока (сквозняка)
  • относительной влажности воздуха

 

Лучистое тепло

Кривая комфорта

Если стены помещения имеют очень разные температуры поверхностей, это может повлиять на комфорт из-за так называемой асимметрии излучения.

Даже температурные различия в 1° С на метр высоты воспринимаются как неприятные. Такое вертикальное распределение также называют расслоением температуры воздуха. Температурный режим должен быть максимально постоянным.

Относительная влажность является отношением текущего количества влаги в воздухе к максимально возможному количеству влаги при заданной температуре воздуха. Влажность воздуха 40-50% воспринимается как особенно приятная.

Во время проветривания холодный наружный воздух с низкой абсолютной влажностью нагревается до комнатной температуры, а относительная влажность в помещении продолжает падать.

При относительной влажности воздуха в 30-70%, движении воздуха до 20 см/с и преимущественно равномерной температуре поверхностей помещения (тепловой) комфорт зависит только от рабочей температуры (= среднее значение температуры воздуха в помещении и средней температуры излучения пространственной оболочки).

 

Лучистое тепло

 

Как правило, мы чувствуем себя лучше, когда температура излучения выше температуры воздуха. Поскольку инфракрасные обогреватели создают температуры излучения выше температуры воздуха, они лучше, чем конвекционные обогреватели, в плане создания комфорта.

 

Физические особенности лучистых обогревателей

Лучистое тепло

Физические основы конвекционных обогревателей и лучевых обогревателей являются совершенно разными:

В конвекционном отоплении (нагревании воздуха) тепло передается потоком теплого воздуха. Согласно первому и второму законам термодинамики для этого требуются температурные разницы.

В случае лучистого отопления, в соответствии с принципами квантовой механики Макса Планка, теплопередача происходит без какого-либо транспортирующего носителя только за счет теплового излучения. В ее основе лежат следующие физические принципы:

  • Тепловое излучение инфракрасного лучистого обогревателя – это электромагнитная волна, похожая на свет, электричество, микроволну и радиоволну, которые движутся со скоростью света.
  • Длины волн, рассматриваемых как инфракрасные лучи для отопления с достижением температур до 80° С, находятся в узком диапазоне от 3 до 50 μm (микрон). Как и все темперированные и теплые поверхности, они являются безопасными для здоровья. Также отсутствует электросмог.
  • Каждая поверхность способна поглощать лучи (получение энергии через поглощение) и испускать их (потеря энергии вследствие эмиссии). Таким образом, энергия излучения одновременно поглощается и излучается темперированной поверхностью.
  • Тепловое излучение нагревает не воздух, а только твердые и жидкие тела. Воздух в помещении является проницаемым для тепловых лучей и поэтому остается прохладным и приятным. Температуры ограждающих поверхностей помещения остаются выше температуры воздуха. Поэтому нагревание прилегающих слоев воздуха происходит лишь побочно конвекционным путем, через более теплые поверхности. Также вследствие низких температур воздуха сохраняется энергия при проветривании.
  • Поскольку движение воздуха практически отсутствует (очень незначительное завихрение пыли), можно проветривать не так часто и, опять же, сохранять энергию.
  • Инфракрасное тепловое излучение (> 3μm) не проникает через обычное стекло. Тепловое излучение остается в помещении.

Задача лучистого обогревателя заключается исключительно в создании темперированных поверхностей, которые затем обеспечивают приятный микроклимат за счет (инфракрасных) тепловых лучей. Потолок и стены особенно пригодны для размещения на них лучистых поверхностей.

 

Излучательная способность

Излучательная способность темперированной поверхности описана в законе Стефана-Больцмана. Так, она пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры поверхности. Это означает, что тепловые лучи испускаются независимо от температуры окружающей среды, исключительно за счет температуры поверхности.

Лучистое тепло

Напротив, конвекционный обогреватель требует для работы «чрезмерных температур». Таким образом, теплопроизводительность пропорциональна разности температур между обогревателем и воздухом в помещении.

 

Лучистый теплообмен

Все поверхности в помещениях впитывают и отдают тепловые лучи. За счет излучения более темперированная поверхность отдает энергию менее темперированной поверхности и наоборот. Таким образом, лучистый теплообмен является пропорциональным разности двух излучающих способностей.

Лучистое тепло

Благодаря лучистому теплообмену температуры поверхностей в помещении выравниваются. Поэтому поглощенная и преданная тепловые энергии становятся равными. Возникают равномерно темперированные поверхности, включая мебель, создавая приятное ощущение комфорта.

 

Разность между излучательной способностью и лучистым теплообменом

Пример 1:

T1=80°C (лучистая панель) и

T2=20°C (стена)

Разность (лучистый теплообмен) является очень большой.

 

Пример 2:

T1=80°C (лучистая панель) и

T2=50°C (умеренно темперированная лучистая панель)

Разность (лучистый теплообмен) – значительно меньше.

Излучательная способность в целом – выше.

 

Пример 3:

T1=80°C (лучистая панель) и

T2=80°C (другая лучистая панель напротив нее)

Разность (лучистый теплообмен) равна нулю.

Тем не менее, излучательная способность для помещения удваивается.

 

Понятно, что лучистый теплообмен не соответствует излучательной способности.

Таким образом, формулу для лучистого теплообмена ни в коем случае нельзя применять для определения излучательной способности.

Аспекты, связанные со здоровьем

Завихрение воздуха

Люди, страдающие аллергией на домашнюю пыль и астмой, чувствительны или имеют аллергическую реакцию на помет пылевых клещей, который может вызывать ринит, зуд и одышку. Этот помет прилипает к домашней пыли и «взвивается» вследствие конвекции любого вида. Чем ниже скорость конвекции от обогревателя, тем лучше для аллергика.

Лучистое тепло

Пересушенный воздух

Обычные (конвекционные) нагреватели создают ощущение пересушенного воздуха. Низкая относительная влажность может вызвать проблемы со здоровьем:

  • Снижение продуктивности дыхания: кислород хуже проникает в кровяное русло через легкие.
  • Влажность кожи тесно связана с влажностью воздуха. Поэтому наша кожа нуждается в достаточной влажности воздуха во избежание высыхания. Кроме того, склонность нашей кожи к раздражению и покраснению или даже воспаление повышается при низкой влажности воздуха.
  • Слизистые оболочки имеют довольно низкую защиту от испарения. Поэтому они склонны к высыханию и требуют повышенной влажности воздуха для поддержания своих функций. Низкая увлажненность слизистой оболочки носа повышает риск возникновения носового кровотечения. Также возможно снижение иммунной защиты слизистых оболочек (повышенный риск простуды) и их способности к метаболизму.

Сухость глаз: При низкой относительной влажности воздуха многие страдают от покраснения, жжения или зуда в глазах, особенно те, кто носит контактные линзы. Комфорт ношения контактных линз ограничен. Поэтому офтальмологи, как правило, рекомендуют избегать пересушенного отоплением воздуха и сквозняков.

Кровообращение

В физиотерапии инфракрасное излучение С применяется при перегрузках опорно-двигательного аппарата и в комплексном лечении нарушений кровообращения. Поэтому инфракрасное отопление имеет, как правило, положительный терапевтический эффект.

 

Лучистое тепло

Риск образования плесени

Влага, содержащаяся в теплом воздухе помещения, конденсируется вследствие его охлаждения на холодных внутренних поверхностях наружных стен. Конденсат может привести к образованию плесени, особенно в углах комнаты, за мебелью, шторами и на других скрытых участках, которые охлаждаются больше, чем остальная часть стены. Во избежание образования плесени влажность воздуха никогда не должна подниматься выше 80% – даже на отдельных участках.

Возможные симптомы, вызванные плесенью, разнообразны и достаточно неспецифичны. Среди них:

  • кашель
  • ринит
  • конъюнктивит
  • астма
  • кожные высыпания
  • мигрень
  • жалобы на желудочно-кишечные расстройства
  • боль в суставах

Поскольку при использовании инфракрасного отопления стены теплее воздуха, конденсат не образуется вообще, а уже содержащаяся в стенах влага уходит.