Принцип роботи інфрачервоних обігрівачів

Природне коливання молекул у теплопровідниках генерує інфрачервоне теплове випромінювання, яке відповідає спектру випромінювання сонця.

Інфрачервоні промені проникають у повітря на 98%. Енергія, що міститься в них, набагато ефективніше поглинається просторовою оболонкою та предметами (меблями, мешканцями). Повітря нагрівається у другу чергу через відбивне тепловиділення з навколишніх поверхонь та предметів у приміщенні.

Навпаки, конвекційні обігрівачі (радіатори) в першу чергу нагрівають приміщення, нагріваючи кімнатне повітря – найгірший теплоносій. Нагріте повітря піднімається вгору, а холодне повітря тече знизу. Так утворюється конвекційний потік.

Суттєва різниця температур у приміщенні між нагрітим повітрям та холодними поверхнями зовнішніх стін також супроводжується нерівномірним розподіленням вологи.

На відміну від звичайних обігрівачів, інфрачервоні обігрівачі забезпечують теплу просторову оболонку, нижчу температуру повітря та більш рівномірне розподілення вологи. Це забезпечує в цілому свіжіше повітря і комфортне тепло для ваших ніг.

Теплова енергія, отримана від перетворення поданої електричної енергії, включає в себе частку випромінювання, частку конвекції та частку теплопровідності.

Ефективність випромінювання – це частка випромінювання загальної теплової потужності.

Економічність

Опалення з використанням електроенергії коштує дорого лише тоді, коли ми намагаємося в першу чергу нагріти повітря. Однак інфрачервоні обігрівачі нагрівають головним чином просторову оболонку. Ось чому потрібна на 3-4° C нижча температура. Оскільки на кожен додатковий 1° C повітря у приміщенні потрібно на 6% – 7% більше опалювальної енергії, загалом можна зекономити понад 20% теплової енергії.

  • Зниження втрат при провітрюванні:
    За рахунок нижчої температури повітря у приміщенні втрачається менше теплової енергії при провітрюванні.
  • Уникнення трансмісійних тепловтрат (сухі / вологі стіни):
    Зволоження зовнішніх стін призводить до зменшення ізоляції, а отже до низьких температур на внутрішньому боці зовнішніх стін. (Вологість 4% знижує коефіцієнт ізоляції приблизно на 50%.)Проте стіни, що обігріваються інфрачервоним промінням, залишаються теплими і мають вищу температуру, ніж повітря. Висока температура поверхонь перешкоджає поглинанню стінами водяної пари та запобігає трансмісійним втратам.

    Променисте тепло

  • Низькі інвестиційні витрати
  • Відсутність додаткових витрат (наприклад, на прочищення димаря)
  • Відсутність необхідності технічного обслуговування
  • 100% регенеративна експлуатація
  • Котельня або камін не потрібні
  • Труби опалення не потрібні
  • Відсутність ризику пошкодження приміщень водою через прорив труби опалення

 

Тепловий комфорт

З погляду опалення та кондиціонування повітря (тепловий) комфорт означає температуру навколишнього середовища та умови повітря, за яких людина почувається найкомфортніше. Система опалення повинна сприяти комфортному мікроклімату.

Об’єктивним показником комфорту є температура, що відчувається. Вона залежить від

  • температури повітря у приміщенні
  • температури випромінювання навколишнього середовища
  • розподілу температури повітря (розшарування повітря)
  • повітряного потоку (протягу)
  • відносної вологості повітря
Променисте тепло

Крива комфорту

Якщо стіни приміщення мають дуже різні температури поверхонь, це може вплинути на комфорт через так звану асиметрію випромінювання.

Навіть температурні відмінності в 1° С на метр висоти сприймаються як неприємні. Такий вертикальний розподіл також називають розшаруванням температури повітря. Температурний режим повинен бути максимально постійним.

Чим теплішим є повітря, тим більше вологи воно здатне поглинути. Відносна вологість є співвідношенням поточної кількості вологи в повітрі до максимально можливої кількості вологи при заданій температурі повітря. Вологість повітря 40-50% сприймається як особливо приємна.

Під час провітрювання холодне зовнішнє повітря, що має низьку абсолютну вологість, нагрівається до кімнатної температури, а відносна вологість у приміщенні продовжує падати.

При відносній вологості повітря у 30-70%, русі повітря до 20 см/с та переважно рівномірній температурі поверхонь приміщення (тепловий) комфорт залежить лише від робочої температури (= середнє значення від температури повітря у приміщенні та середньої температури випромінювання просторової оболонки).

 

Променисте тепло

 

Як правило, ми почуваємося краще, якщо температура випромінювання є вищою за температуру повітря. Оскільки інфрачервоні обігрівачі створюють температури випромінювання, що є вищими за температури повітря, вони є кращими за конвекційні обігрівачі з міркувань комфорту.

 

Фізичні особливості променистих обігрівачів

Променисте тепло

Фізичні основи конвекційних обігрівачів та променевих обігрівачів є абсолютно різними:

У конвекційному опаленні (нагріванні повітря), тепло передається потоком теплого повітря. Згідно з першим і другим законами термодинаміки для цього потрібні температурні різниці.

У випадку променистого опалення, відповідно до принципів квантової механіки Макса Планка, теплопередача відбувається без будь-якого транспортуючого носія лише за рахунок теплового випромінювання. В її основі лежать наступні фізичні принципи:

  • Теплове випромінювання інфрачервоного променистого обігрівача – це електромагнітна хвиля, схожа на світло, електрику, мікрохвилю та радіохвилю, всі з яких рухаються зі швидкістю світла.
  • Довжини хвиль, що розглядаються як інфрачервоні промені для опалення з температурами до 80 ° С, знаходяться у вузькому діапазоні від 3 до 50 µm (мікронів). Як і всі темперовані та теплі поверхні, вони є безпечними для здоров’я. Так само відсутній електросмог.
  • Кожна поверхня здатна поглинати промені (отримання енергії через поглинання) та випускати їх (втрата енергії через емісію). Таким чином, енергія випромінювання одночасно поглинається і випромінюється темперованою поверхнею.
  • Теплове випромінювання нагріває не повітря, а лише тверді й рідкі тіла. Повітря у приміщенні є проникним для теплових променів і тому залишається прохолодним і приємним. Температури огороджуючих поверхонь приміщення є вищими за температуру повітря. Тому нагрівання прилеглих шарів повітря відбувається лише побічно конвекційним шляхом, через більше теплі поверхні. При провітрюванні внаслідок низьких температур повітря також зберігається енергія.
  • Оскільки рух повітря майже відсутній (дуже незначне завихрення пилу) можна провітрювати не так часто і знову ж таки зберігати енергію.
  • Інфрачервоне теплове випромінювання (> 3μm) не проникає через звичайне скло. Теплове випромінювання залишається у приміщенні.

Завдання променистого обігрівача полягає виключно у створенні темперованих поверхонь, які потім забезпечують приємний мікроклімат за рахунок (інфрачервоних) теплових променів. Стеля та стіни є особливо придатними для розміщення на них променистих поверхонь.

 

Випромінювальна здатність

Випромінювальна здатність темперованої поверхні описана в законі Стефана-Больцмана. Так, вона є пропорційною четвертому ступеню абсолютної температури поверхні. Це означає, що теплові промені випускаються незалежно від температури навколишнього середовища, виключно за рахунок температури поверхні.

Променисте тепло

Навпаки, конвекційний обігрівач вимагає для роботи “надмірних температур”. Таким чином, теплопродуктивність є пропорційною різниці температур між обігрівачем та повітрям у приміщенні.

 

Променистий теплообмін

Усі поверхні в приміщеннях вбирають і віддають теплові промені. Більш темперована поверхня віддає енергію через випромінення менш темперованій поверхні  і навпаки. Таким чином, променистий теплообмін є пропорційним різниці між двома випромінювальними здатностями.

Променисте тепло

Навпаки, конвекційний обігрівач вимагає для роботи “надмірних температур”. Таким чином, теплопродуктивність є пропорційною різниці температур між обігрівачем та повітрям у приміщенні.

 

Різниця між випромінювальною здатністю та променистим теплообміном

Приклад 1:

T1=80°C (промениста панель) та

T2=20°C (стіна)

Різниця (променистий теплообмін) є дуже великою.

 

Приклад 2:

T1=80°C (промениста панель) та

T2=50°C (помірно темперована промениста панель)

Різниця (променистий теплообмін) є значно меншою.

Випромінювальна здатність є в цілому вищою.

 

Приклад 3:

T1=80°C (промениста панель) та

T2=80°C (інша промениста панель навпроти неї)

Різниця (променистий теплообмін) дорівнює нулю.

Тим не менш, випромінювальна здатність для приміщення подвоюється.

Зрозуміло, що променистий теплообмін не відповідає випромінювальній здатності.

Отже, формулу для променистого теплообміну у жодному разі не можна застосовувати для визначення випромінювальної здатності.

Аспекти, пов’язані зі здоров’ям

Завихрення повітря

Люди, які страждають на алергію до домашнього пилу та астму є чутливими або мають алергічну реакцію на послід пилових кліщів, що може спричиняти риніт, свербіж та астму. Цей послід прилипає до домашнього пилу та “здіймається” через конвекцію будь-якого виду. Цим нижчою є швидкість конвекції від обігрівача, тим краще для алергіка.

Променисте тепло

Пересушене повітря

Звичайні (конвекційні) нагрівачі створюють відчуття пересушеного повітря. Низька відносна вологість може спричинити проблеми зі здоров’ям:

  • Зниження продуктивності дихання: кисень гірше проникає в кров’яне русло через легені.
  • Вологість шкіри тісно пов’язана з вологістю повітря. Тому наша шкіра потребує достатньої вологості повітря для уникнення висихання. Крім того, схильність нашої шкіри до подразнення та почервоніння або навіть запалення підвищується при низькій вологості повітря.
  • Слизові оболонки мають доволі низький захист від випаровування. Тому вони схильні до висихання і потребують підвищеної вологості повітря для підтримання своїх функцій. Низька зволоженість слизової оболонки носа підвищує ризик виникнення носової кровотечі. Також може зменшуватися імунний захист слизових оболонок (підвищений ризик застуди) та їх здатність до метаболізму.
  • Сухі очі: При низькій відносній вологості повітря багато хто страждає на почервоніння, печіння або свербіння очей, особливо ті, хто носить контактні лінзи. Комфорт носіння контактних лінз є обмеженим. Тому офтальмологи, як правило, рекомендують уникати пересушеного опаленням повітря та протягів.

Кровообіг

У фізіотерапії інфрачервоне випромінювання С застосовується при перевантаженнях опорно-рухового апарату та в комплексному лікуванні порушень кровообігу. Тому інфрачервоне опалення, як правило, має позитивний терапевтичний ефект.

 

Променисте тепло

Ризик утворення цвілі

Волога, що міститься в теплому повітрі приміщення, конденсується через охолодження на холодних внутрішніх поверхнях зовнішніх стін. Конденсат може спричинити утворення цвілі, особливо в кутках кімнати, за меблями, шторами та в інших прихованих ділянках, що охолоджуються більше, ніж решта стіни. Для уникнення утворення цвілі вологість повітря ніколи не повинна підніматися вище ніж 80% – навіть на окремих ділянках.

Можливі симптоми, спричинені цвіллю, є різноманітними та досить неспецифічними. Серед них:

  • кашель
  • риніт
  • кон’юнктивіт
  • астма
  • шкірні висипання
  • мігрень
  • скарги на шлунково-кишкові розлади
  • біль у суглобах

Оскільки при використанні інфрачервоного опалення стіни є теплішими за повітря, конденсат навіть не утворюється, а вже присутня волога видаляється зі стін.