Использование инфракрасной пленки для отопления помещений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпускная квалификационная работа

Использование инфракрасной плёнки для отопления помещений



Введение

энергопотребление отопление инфракрасный пленка

Отопление осуществляется для поддержания оптимального температурного режима в помещениях.

Инновационная система отопления - инфракрасный (ИК) пленочный теплый пол выигрывает по многим параметрам при сравнении с более привычными вариантами - водяными и кабельными конструкциями. В данном случае для оборудования альтернативного источника обогрева не требуются масштабные работы по сооружению бетонной стяжки и прокладке нагревательных элементов. Кроме того, практически отсутствуют ограничения в выборе типа финишного напольного покрытия.

Нагревательная пленка устойчива к повреждениям любого рода, в том числе и механическим. А при обрыве из строя выходит только один сегмент системы.

Традиционное конвекционное отопление помещений является довольно неэффективным. Воздух нагревается и устремляется вверх, создавая при этом конвективный поток. Большая часть энергии при таком типе отопления тратится на бесполезный обогрев пространства в районе потолка. Кроме того, воздух - один из самых плохих проводников тепла.

По другому принципу работает ИК пленочный теплый пол. Отличие заключается в том, что инфракрасное излучение нагревает в первую очередь предметы, находящиеся на его пути. Отсутствие восходящих потоков избавляет жильцов дома от сквозняков и пыли. Особенно выгоден такой вид обогрева в помещениях с высоким потолком.

При использовании лучистого тепла температура воздуха субъективно воспринимается как более высокая. Этим преимуществом в полной мере обладает инфракрасный пленочный теплый пол, в помещении комфортно находиться, даже если оно не прогрелось в достаточной мере.

Кроме того, инфракрасное отопление дает возможность локального обогрева. Оно позволяет поддерживать индивидуальный температурный режим в разных зонах одной комнаты. А при необходимости можно просто отключить часть оборудования.

Еще одно достоинство - инфракрасного пленочного пола заключается в том, что он обеспечивает более быстрый по сравнению с остальными системами прогрев, ведь передача тепла происходит очень быстро.

Также немаловажным аргументом в пользу именно этого вида теплых полов является то, что инфракрасное излучение считается не просто безвредным, а очень полезным.

Область применения ИК пленочного теплого пола не ограничивается жилыми или общественными помещениями. Его обустраивают в хозяйственных постройках - гаражах, теплицах или сараях для домашнего скота, куда затруднительно провести центральное отопление.

Широко применяется инфракрасная пленка для теплого пола в сельском хозяйстве (например, в инкубаторах и яслях для молодняка). С её помощью защищают от обледенения взлетно-посадочные полосы, автостоянки и открытые спортивные площадки.

В данной дипломной работе рассмотрен вопрос применения инфракрасной пленки для отопления помещений.

Цель работы - исследование системы отопления помещения с применением инфракрасной пленки.

Задачи:

- изучение системы отопления с применением инфракрасной пленки;

- изучение устройства и видов инфракрасной пленки;

- расчет эффективности системы отопления помещения с применением инфракрасной пленки по сравнению с централизованным отоплением;

- проведение экспериментальных измерений.



1. Виды отопления

Физический процесс передачи тепла от одного физического тела к другому называется теплопередачей. Передача тепла осуществляется от горячего физического тела к холодному либо при непосредственном контакте, либо через перегородку.

Тепловая энергия будет передаваться до тех пор, пока температуры физических тел не сравняются. В физике это состояние называется термодинамическим равновесием. Теплопередача, как правило, происходит от горячего тела к холодному, что полностью соответствует второму закону термодинамики. Согласно этому закону работают все системы отопления.

С точки зрения физики существуют три элементарных типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Но в чистом виде, по отдельности, они практически не встречаются, в общем случае тепло передается сочетанием простых типов. В основном различают три типа теплопередачи: теплоотдача, теплопередача и конвективно-лучевой метод передачи тепла. [2]

Классификация видов отопления происходит по его видоизменяемому параметру комбинации способов теплопередачи. При этом, абсолютно все виды отопления можно разделить на автономные (со встроенным генератором тепловой энергии) и системные или магистральные (подключённые в отопительные системы и магистрали, и являющиеся частью их). [7]

1. Конвективное и лучистое виды отопления.

В зависимости от преобладающего способа теплоотдачи передачи, отопление помещений может быть конвективным и лучистым.

Конвективное отопление - это вид отопления, при котором тепло передается, преимущественно благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха.

Лучистое отопление - это вид отопления, когда тепло передается, в основном инфракрасным излучением.

2. Огневоздушное, воздушное, инфракрасное виды отопления.

В комбинациях конвективного и лучистого видов передачи тепла можно определить три основные способы теплопередачи - огневоздушное, воздушное, а также инфракрасное виды отопления. Примеры огневоздущного отопления - очаги с открытым пламенем, камины, костры, жаровни с раскалёнными углями. Пример воздушного отопления - печки, отопительные радиаторы и конвекторы всех типов, тепловые воздушные установки. Пример инфракрасного отопления - тёплые полы, тепловые панели, газовые и электрические рефлекторы.

1.1 Традиционные системы отопления

К традиционным системам отопления относятся те системы, в которых используется какое-либо топливо. В настоящее время чаще всего используется газ, хотя в некоторых случаях применяется жидкое и твердое топливо. Но независимо от типа топлива принцип работы всех традиционных систем одинаков. Теплота от сгорания топлива нагревает теплоноситель, который поступает в радиаторы отопительной системы и нагревает воздух в помещении. В качестве теплоносителя в традиционных системах отопления используется вода, поэтому такие системы называют водяными.

По всем законам физики теплый воздух устремляется вверх, а холодный, естественно, перемещается вниз. Такое движение воздуха есть не что иное, как упомянутая выше конвекция. Этот холодный воздух как раз и создает холодные полы, что приходится устранять устройством «теплых полов». Если помещение достаточно высокое (производственный корпус, зрительный или спортивный зал и т.п.), то прогрев всего объема длится достаточно долго, создается расслоение воздуха.

Поднимающийся вверх теплый воздух создает сквозняк в помещении, кроме того увеличиваются потери тепла через крышу и стены, тепло попросту уходит из здания. В этом случае говорят, что мы отапливаем улицу. Люди, находящиеся внизу, оказываются в зоне холодного воздуха.

На рисунке 1 схематично показано распределение тепла при работе традиционной системы отопления.

Рисунок 1. Распределение тепла при работе традиционной системы отопления

Основным устройством системы водяного охлаждения является котел, чаще всего газовый. Нагретая в котле вода по трубам поступает в отопительные приборы - радиаторы. Для циркуляции воды в системе устанавливается насос, если циркуляция принудительная, хотя циркуляция может быть естественной. В этом случае можно обойтись и без насоса.

Кроме этих основных устройств и деталей в водяную систему отопления входит также множество «вспомогательных», но нужных деталей. Прежде всего, это расширительный бак для компенсации температурного расширения воды, фитинги для соединения труб, воздушные клапаны и многое другое, необходимое для нормальной работы всей системы в целом.

В индивидуальном доме для установки газового котла требуется дополнительное помещение, оборудованное системой вентиляции и дымоходом, не говоря уже о системе подведения газа. В случае централизованного отопления требуется строительство большой котельной и прокладка целой сети теплотрасс. Вся система получается дорогой и сложной. Но в некоторых случаях, например для небольшого загородного дома, и если поблизости нет газа, приходится делать электрическую систему отопления.

Наиболее распространенными в таких случаях являются электрические котлы для водяного отопления или различные электрические обогреватели. В первую очередь это масляные радиаторы, электрокамины и тепловентиляторы различных конструкций. Принцип работы этих приборов также конвекционный, как у водяных систем отопления: сначала греется воздух, а уже потом стены, мебель, люди. Такая система малоэффективна и малоэкономична. [2]

1.2 Инфракрасные отопительные приборы

В настоящее время выпускаются различные приборы инфракрасного отопления, которые обеспечивают рациональный и экономный обогрев помещений в самых различных условиях.

С точки зрения природы традиционные системы отопления действуют неправильно. Сначала нагревается воздух, а потом и все остальное. В природных условиях все происходит наоборот.

Естественным источником тепла на Земле является Солнце. Солнечные лучи обладают очень широким спектром, но именно его инфракрасная составляющая нагревает Землю, людей, растения и все предметы, а уже от них нагревается воздух и создаются комфортные условия для жизнедеятельности человека.

Именно по такому принципу работают инфракрасные обогреватели. Воздух для инфракрасного излучения абсолютно прозрачен, поэтому инфракрасные лучи беспрепятственно доходят до обогреваемых поверхностей и предметов.

На рисунке 2 схематично показано распределение тепла при использовании инфракрасного обогревателя.

Рисунок 2. Распределение тепла при использовании инфракрасного обогревателя



2. Инфракрасное излучение

Ученые классифицировали энергию солнечного излучения с помощью такого понятия, как спектр электромагнитного излучения. С помощью этого спектра солнечная энергия распределяется по длинам волн, которые излучаются солнцем. В зависимости от того, насколько волна длинная, определяется количество её энергии. Например, длинная волна обладает малой долей низкочастотной энергии, а короткая волна обладает большой долей высокочастотной энергии. К сожалению, мы можем видеть только те волны видимого диапазона (видимый свет), которые составляют цвета радуги. Но, несмотря на то, что наш глаз может различать только видимые волны, нас окружает большое количество других энергетических волн, по-разному влияющих на организм. Существует семь энергетических волн, входящих в солнечный электромагнитный спектр, лежащие между самыми длинными, радиоволнами, и самыми короткими, гамма-лучами (рис. 3). [5]

Рисунок 3. Спектр электромагнитного излучения

Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей - как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.

С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра - это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли - это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу. [3]

Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне - именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне - болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.

Дальний инфракрасный диапазон - один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективно работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.



3. Виды инфракрасного отопления

3.1 Потолочные системы инфракрасного обогрева

При инфракрасном отоплении потолочного типа нагревательные приборы подвешиваются к потолку - за счет этого тепловой поток направлен вниз и немного в стороны. Таким образом, основная поверхность, которая нагревается ИК лучами - это напольное покрытие. Поэтому температура на уровне ног человека при данном способе обогрева оказывается на пару градусов выше, чем на уровне его головы. При конвективном принципе нагрева воздуха, пол - это всегда самая холодная поверхность, а основная масса теплого воздуха «обитает» под потолком.

Конструктивно потолочный инфракрасный обогреватель включает в себя нагревательный элемент (тэн) и отражающую пластину из алюминия, которая излучает электромагнитные волны определенной длины. Тэны изготавливают из вольфрама, кварца или керамики - от применяемого материала зависит мощность и эффективность всего обогревателя в целом. [1]

Достаточно часто потолочные обогреватели используются, как вспомогательный источник тепла в частном доме. Поддерживая фоновую температуру в помещении при помощи другого вида отопления и используя потолочные ИК обогреватели, можно создавать «островки» тепла, например, в зоне отдыха, рабочего места или обеденной группы. Заметьте, что при этом не забирается полезная площадь помещения.

Обладая встроенным термодатчиком, ИК обогреватель отключится при достижении заданной температуры и включится на обогрев, если температура в помещении упадет ниже установленной отметки. Таким образом, экономится немалое количество электроэнергии. Отопление инфракрасными обогревателями потолочного типа хорошо еще и тем, что нагревательные приборы можно демонтировать и перевезти, скажем, на новое место жительства.

В потолочном пространстве частного дома может быть с успехом установлено инфракрасное пленочное отопление, которое позволит сохранить неизменной высоту помещений и площадь жилого пространства. Особенно это важно на мансардных этажах с наклонным потолком и небольшими по площади плоскостями стен. Совсем недавно на рынке отделочных материалов появился новый вид потолочных ИК панелей, монтируемых в профиль типа Армстронг - простое и экономичное решение для общих зон в частном доме.

Необходимо избегать направленного потока инфракрасного излучения. Нельзя, чтобы нагревательный прибор был направлен в район головы человека. Не рекомендуется крепить инфракрасные обогреватели на натяжной потолок из пленки ПВХ или на пластиковую вагонку, а также располагать их ниже 1,5 метров от поверхности пола.

В достаточно высоком помещении водяные системы отопления, как уже было сказано выше, малоэффективны, ведь весь теплый воздух поднимается вверх.

При высоте потолка 2,5 - 3,6 м достаточно эффективны и экономичны будут низкотемпературные инфракрасные подвесные обогреватели с температурой излучателя в пределах 100 - 120°С.

Чтобы достичь равномерности обогрева помещения, избежать появления теплых и холодных зон требуется осуществлять отопление несколькими обогревателями, суммарная мощность которых должна соответствовать тепловым потерям здания. Если высота потолков 4 м и более, то вполне допустимо и безопасно применение обогревателей с температурой излучающей поверхности до 200°С и выше. Такие обогреватели называют высокотемпературными.

Конструкция и принцип действия излучателей такова, что их установка возможна на любой высоте. Если помещение очень большое, например склад или ангар, то инфракрасные обогреватели можно установить, лишь над рабочими площадками, в местах нахождения людей, что позволяет экономить электроэнергию.

Низкотемпературный обогреватель (рис. 4) представляет собой металлический короб с размещенным внутри него распределенным нагревателем. Излучающая поверхность обрабатывается специальными материалами, обеспечивающими максимальную интенсивность теплового излучения, эмиссию тепловой лучистой энергии. Коэффициент тепловой эмиссии у наиболее совершенных обогревателей достигает 90%. Увеличению тепловой отдачи в немалой степени способствует то, что излучающая поверхность делается рельефной, бугристой. Это позволяет увеличить ее площадь не менее чем в 2,5 - 3 раза. [2]

Рисунок 4. Низкотемпературный ИК обогреватель

Высокотемпературные обогреватели (рис. 5) также представляют собой коробчатый корпус, внутри которого расположены один или несколько нагревательных элементов. Тепло этих элементов передается профилю из алюминия, излучающая поверхность которого покрыта специальной керамикой, что позволяет снизить температуру излучающей поверхности за счет повышения коэффициента эмиссии лучевого потока.



Рисунок 5. Высокотемпературный ИК обогреватель

Пространство между корпусом и нагревательными элементами заполнено термостойким высококачественным теплоизолятором, чем достигается полная пожарная безопасность всего устройства в целом. Такая теплоизоляция характерна как для высокотемпературных, так и для низкотемпературных обогревателей.

3.2 Настенные системы инфракрасного обогрева

Установка настенных инфракрасных панелей отопления может стать неплохой альтернативой традиционному обогреву при помощи радиаторов. Обладая небольшой толщиной и широким разнообразием типоразмеров, ИК панели отопления могут быть легко смонтированы в частном доме собственноручно.

Инфракрасные панельные обогреватели выпускаются в виде:

- настенных ИК панелей, устанавливаемых вместо привычного радиатора в нишу под окном;

- дизайнерских стеновых ИК панелей различных габаритов и в обширной колористической гамме;

- планок теплых ИК плинтусов, которые крепятся по периметру помещения вместо обычного плинтуса.

Универсальный вариант настенного отопления - пленочная система обогрева, смонтированная в толще стены. Подобный вид источника тепла рационально устанавливать внутри помещения с одной или несколькими наружными стенами - это обеспечит достаточный прогрев плоскостей, склонных к промерзанию и образованию плесени. Важный момент, на который необходимо обратить внимание при монтаже пленочной ИК системы - обязательное применение экранирующей пленки, препятствующей потере тепла.

В последнее время в качестве дополнительных местных обогревателей все более популярными становятся различные элементы интерьера: обогреватели-картины, плинтусы, теплые настенные панели. Подобные нагревательные элементы состоят из карбоновых нитей подключенных параллельно между собой. Таких нитей в нагревателях не одна и даже не две сотни, благодаря чему каждая нить работает без всяких перегрузок, мощность выделяемая ею весьма мала. Поэтому исключено возникновение перегрузок и перегрев, надежность таких обогревателей очень высока, срок службы достигает 10 лет и более.

3.3 Напольные системы инфракрасного обогрева

В качестве напольных систем ИК отопления применяется пленочные маты, в которые запаяны плоские нагревательные элементы, соединенные последовательно. Минимальная толщина данной системы обогрева позволяет смонтировать теплый пол под любое финишное покрытие - будь то плитка, ламинат, ковролин или линолеум. При этом не будет потерян ни один сантиметр высоты помещения. Самая эффективная по теплоотдаче комбинация ИК обогрева - с керамической плиткой, чуть хуже - с ламинатом. Наибольшее экранирование инфракрасного излучения замечено за линолеумом и ковролином.

Кроме перечисленных плюсов, укладка инфракрасной пленки выполняется быстро, не сопровождается грязными работами, как, например, при обустройстве водяного теплого пола. Монтаж декоративного напольного покрытия может быть произведен тут же, без многочисленных этапов, сопровождающих установку прочих видов теплых полов.

При обустройстве напольного ИК обогрева не рекомендуется укладывать пленку под мебель - это снизит теплоотдачу и может спровоцировать усыхание деревянных и древесно-стружечных мебельных конструкций.

3.4 Достоинства и недостатки ИК отопления

Как всякая система для создания комфортных условий проживания в частном доме, обогрев помещений с применением инфракрасного излучения не лишен своих положительных и отрицательных сторон.

Достоинства обустройства отопления в доме с использованием инфракрасного излучения: [1]

1. Инфракрасное излучение подобно солнечному теплу и не нарушает здорового микроклимата в помещении - не сушит воздух и не сжигает кислород. Кроме того, за счет сниженной циркуляции воздуха при ИК обогреве, частички пыли не переносятся настолько интенсивно, как при конвективной системе отопления. Существуют исследования, что средневолновое инфракрасное излучение оказывает благотворное воздействие на человеческий организм.

2. ИК отопление может применяться зонально, сочетаясь с другой системой обогрева дома, или выступать в виде автономного источника тепла.

3. Пленочные системы обогрева на основе ИК нагревательных элементов прекрасно сочетаются с напольными и настенными декоративными покрытиями.

4. Низкая инерционность инфракрасной системы отопления означает, что ей не требуется время «на раскачку», как водяному теплоносителю. Обогрев помещения начинается сразу после включения ИК системы и позволяет комбинировать ее с терморегуляторами.

5. Для системы ИК обогрева не критичны перепады напряжения в центральной электросети, что позволяет говорить о высокой надежности и долговечности отопления с инфракрасным излучением.

6. При использовании напольной или настенной системы обогрева, можно уложить ИК пленку только на 50-60% площади помещения, чтобы добиться комфортной температуры в комнате.

7. Монтаж инфракрасной пленки и ИК обогревателей легко выполним собственными силами, так как не требует специфических знаний или умений.

8. За счет модульности пленочного инфракрасного обогрева, выход из строя одного сегмента пленки не влечет за собой полной недееспособности всей системы отопления. Замена неисправного элемента пленочного теплого пола достаточно проста и не требует установки новой нагревающей полосы.

9. Потребление электроэнергии ИК системой отопления составляет порядка 50 Вт/м² в час.

Несмотря на то, что инфракрасное отопление обладает многими плюсами, нельзя не упомянуть и его минусы: [1]

1. Как бы то ни было, принцип инфракрасного обогрева основан на электромагнитном излучении, которое не всегда оказывает положительное влияние на организм людей. Помимо этого, на нагревательных поверхностях накапливается статическое электричество, которое способно притягивать пыль.

2. Несмотря на экономичность ИК систем, первоначально необходимо вложить значительную сумму в оборудование, которое окупится через несколько лет.

3. Если зональный обогрев инфракрасным излучением обойдется в небольшие деньги, то использование отопления инфракрасным излучением в качестве единственного источника тепла может вылиться в неподъемную сумму в процессе эксплуатации.

4. Бытует мнение, что излишний нагрев поверхностей в помещении ИК излучением может негативно сказаться на работе бытовых электроприборов.



4. Пленочное инфракрасное отопление

Пленочно-лучевые нагревательные элементы (ПЛЭН) удобны в монтаже и использовании, легки, экономичны, эффективны. Использование пленочных нагревательных элементов позволяет равномерно распределить источник тепла по площади квартиры или частного дома.

Наиболее целесообразным местом для монтажа пленочного электрообогревателя является потолок помещения. Дело в том, что стены, как правило, имеют меньшую площадь и могут быть закрыты мебелью. Для висящих на стенах картин и разнообразных элементов декора близкое соседство с пленочными обогревателями также может быть губительным. Пол также не подходит, так как покрытие пола часто бывает непроницаемым либо плохо проницаемым для лучистого тепла.

Пленочная система инфракрасного отопления частного дома не требует сложных расчетов, количество элементов инфракрасного излучения подбирается в соответствии с площадью потолка обогреваемого помещения, автоматика сама отключит питание по достижении требуемой температуры. Быстрота нагрева - одно из главных преимуществ инфракрасных систем.

Предварительно оценить затраты на электроэнергию для питания инфракрасной системы отопления (при ценах 1,708 руб. за кВт) можно с помощью таблицы 1. [4]

Таблица 1

Отапливаемая площадь, м2	Площадь покрытия, м2	Электропотребление, кВт·мес	Стоимость электроэнергии, руб./мес.
10	8	57,6	98,4
15	12	86,4	147,6
20	16	115,2	196,8
25	20	144,0	246,0
40	32	230,4	393,5
60	48	345,6	590,3
100	80	576,0	983,8
150	120	864,0	1475,7

На рисунке 6 представлена схема распределения тепла в здании с обычными системами обогрева - кабельной, конвекторной, водной и инфракрасной.

Рисунок 6. Схема распределения тепла в здании

Тепло от обычной системы обогрева поднимается вверх, а в это время холодный воздух скапливается внизу помещения. Стены при этом остаются холодными, а воздух не перестает циркулировать, создавая сквозняки. Если открыть форточку, тепло тут же улетучится.

При обогреве инфракрасной пленкой дела обстоят иначе. Тепло распределяется по помещению равномерно, термопленка вначале нагревает стены и предметы, находящиеся в комнате, а затем уже нагревается воздух.

При обогреве ИК пленкой электромагнитное излучение, вредное для организма, отсутствует. Инфракрасное тепло позитивно влияет на организм человека, создает в помещении оптимальный микроклимат.

Термопленку можно монтировать в пол, стены или потолок. Также она может обогревать кровлю, парники и теплицы, хозяйственные постройки. При этом всегда будут сохраняться отличные показатели экономичности и эффективности инфракрасных систем обогрева.

ИК пленки хорошо подходят для обеспечения обогрева в тепличных и животноводческих хозяйствах. При снижении энергозатрат они позволяют получать более высокие показатели.

5. Инфракрасная отопительная пленка

Инфракрасная нагревательная пленка используются для обогрева любых типов помещений. Это могут быть как жилые, так и производственные площади. Во многих случаях применение инфракрасной пленки является единственным способом отопления. Это касается арендуемых и временных площадей, а также зданий, где монтаж цементной стяжки невозможен по техническим причинам, например в полах на деревянных лагах. Это же относится и к некоторым видам напольных покрытий. Например, для полов из ламината требуется низкотемпературный прогрев, а плиты керамогранита могут расколоться при неравномерном обогреве. В этих случаях подходящие условия прогрева напольного покрытия может обеспечить только инфракрасная пленка.

Кроме того, нагревательная пленка может использоваться не только для отопления пола, но и для обогрева стен и потолков. В помещениях, где пол заставлен мебелью, оборудованием или используется для хранения каких-либо материалов также не обойтись без применения ИК пленки. Нагревательная пленка может использоваться в качестве основной, временной, аварийной и дополнительной системы отопления. При использовании теплого пола как основной системы отопления, обогреваемая поверхность должна составлять не менее 70% общей площади помещения. [10]

Несмотря на универсальность инфракрасной пленки, при ее монтаже необходимо учитывать особенности различных типов помещений.

Технология использования пленочных материалов для организации обогрева офисных, жилых и производственных помещений на основе пленки давно и успешно практикуется. Она позволяет не только получать естественное тепло в помещениях через теплый потолок, но и существенно экономить на обогреве, оказывает благотворное влияние на организм.

Инфракрасная греющая пленка сочетает в себе все преимущества инфракрасных нагревателей и может применяться в системах лучистого обогрева (инфракрасный тёплый потолок), а также обладает очень привлекательной стоимостью - всего 700 рублей за квадратный метр. [11]

Греющая пленка (рис. 7, 8) является термическим материалом, состоящим из греющих карбоновых полос, которые соединяются медными шинами. Для максимальной эффективности соединительных контактов при их производстве используется серебряная паста. Набор нагревательных карбоновых элементов с обеих сторон ламинируется специальным электротехническим полиэстером. Данный материал гарантирует абсолютную безопасность нагревателей, защищает от электрического пробоя, а также обеспечивает их полную водонепроницаемость.

Рисунок 7. Внешний вид греющей плёнки

Рисунок 8. Устройство греющей плёнки.



5.1 Принцип работы инфракрасной плёнки

Инфракрасное излучение является частью волнового изменения электромагнитного фона, второе его название - тепловое, так как человеческий организм ощущает его как тепло. Солнце тоже источник тепла и принцип его действия состоит в следующем: оно приносит тепло на нашу планету, лучи его, попадая на землю, нагревают воду, грунт, деревья, здания, а те, своим излучением греют окружающее воздушное пространство.

Точно так же работает низкотемпературный пленочный обогреватель, максимальная температура нагрева которого не более 50?С. Независимо от производителя любая ИП (инфракрасная пленка) состоит из трех компонентов:

- греющего элемента, преобразовывающего электроэнергию в тепловую;

- фольги, благодаря которой тепло с одинаковой силой распределяется по всей поверхности;

- двустороннего ламинирования пленкой ПЭТ, выполняющей функции изолирования и защиты от механических воздействий.

Обогрев начинается после того, как подали ток на нагреватель. Проходя через греющиеся компоненты, ток преобразовывается в тепловую энергию, которая контактным методом от излучателя передается двусторонней пленке ПЭТ, и её обе стороны начинают излучать тепловые волны. Таким образом, источником излучения является именно ИП, а не фольга или нагревательные элементы.

В случае использования пленки в качестве потолочного обогрева, когда она закрыта например гипсокартоном, первичное излучение пленки нагреет гипсокартон, а уже тот начнет излучать инфракрасные волны в окружающее пространство, нагревая находящиеся там предметы, а затем и воздух. То же самое произойдет в системе теплый пол, только там поток излучения будет идти снизу вверх. Опять же первичное излучение - ИП, а вторичное - напольное покрытие.

5.2 Виды инфракрасных пленок

Инфракрасные пленки у разных производителей могут отличаться своим внешним видом, техническими параметрами, однако, из них можно выделить высокотемпературные и низкотемпературные ИП. Также пленки различаются техническими параметрами - мощностью, максимальной температурой нагрева, шириной и толщиной, типом нанесения излучающего материала (сплошной и в полоску), и, соответственно, областями применения. Важным параметром для ИП является температура нагрева пленки.

Пленка, нагревающаяся до температуры выше 27°С, абсолютно не подойдет для теплого пола под ламинированное покрытие, потому, что от высокой температуры оно деформируется. Но под керамическую плитку это будет в самый раз.

Высокотемпературная пленка Ondolla шириной в 13,5 см может использоваться в качестве плинтусного обогрева. У неё много достоинств, расположенная по всему периметру комнаты она обогревает ее со всех сторон, легко монтируется, незаметна в интерьере, обладает небольшой мощностью от 10 до 35 Ватт на 1 погонный метр.

Ограничениями выбора инфракрасного вида обогрева могут быть:

- максимальная температура пленки, ламинированное покрытие, паркетная доска, ковролин могут быть положены на теплый пол, применяющий низкотемпературную пленку, нагревающуюся до 27°С. плитка, керамзитовое покрытие требуют более высокой температуры порядка 45 ? 50°С;

- большие помещения требуют большой мощности и, следовательно, силы тока, что не всегда возможно в жилых помещениях;

- высокие потолки препятствуют рентабельному использованию инфракрасного излучения;

- используется как основной источник отопления в районах с мягким климатом, в остальных случаях можно использовать как местное отопление, дополнительное к основному.

5.3 Полезные свойства нагревательной пленки

Главное достоинство ИП для электрических полов - это экологичность, она безвредна для здоровья. По сравнению с центральной и газовой системами отопления, кабельными и водяными полами ИП имеет ряд преимуществ, обусловленных полезными свойствами материала, из которого она изготавливается. [8]

1. Тепло получают предметы интерьера и люди, а не нагревается воздух. Из-за того, что температура ИП не достигает высокой отметки, длина волны излучения находится в пределах 5 ? 20 мкм. Поэтому тепловые лучи, беспрепятственно проходя сквозь материал напольного покрытия и воздух, практически полностью поглощаются окружающими предметами и людьми. Сам воздух нагревается от вторичного излучения предметов. Благодаря этому, воздух в помещении всегда немного ниже температуры окружения, что создает в окружающем пространстве оптимальную зону для комфорта. Химический состав воздуха не меняется, не уменьшается органика и процентное соотношение кислородных соединений.

2. Заниженная температура воздуха повышает работоспособность человека. Обуславливается это тем, что основная часть волнового спектра, излучаемого ИО совпадает с человеческим организмом (9 ? 10 мкм), который, поглощая эти волны, как бы согревает изнутри.

3. Нагретый инфракрасный пол усиливает образование отрицательно заряженных ионов, о положительном влиянии которых на организм человека медициной давно доказано. Греющая ИП легко может заменить несколько ламп Чижевского или подобные системы ионизации воздуха.

4. Такая пленка практически не излучает вредные для организма электромагнитные волны. Это достигается благодаря особому расположению токопроводящих элементов. Интенсивность электромагнитного фона обыкновенного телевизора в сотни раз больше, чем у пленки даже с большой площадью.

5. В отличии большинства обогревательной техники, в которой применяются вентиляционные топливо сжигающие системы, греющая ИП не создает шума, или других механических и химических воздействий. Она абсолютна нейтральна.

6. Свойство инфракрасного излучения нагревать предметы, а не воздух, препятствует образованию воздушных потоков внутри помещения, поэтому пыль не поднимается. В ней содержится много опасных микроорганизмов, вызывающих и аллергию в том числе. Оставаясь в неподвижности, пыль не попадает в нос и легкие человека, тем самым уменьшая риск заболеваний.

7. Наличие теплого инфракрасного пола дает возможность регулировать температуру в режиме автомат, а свойство ускоренного нагревания, повышает точность температурной регулировки. Сегодня термодатчики могут не только поддерживать температуру пола и воздуха в заданном режиме, но также поддерживать разный температурный режим в других комнатах или отдельных ее частях.

8. Применение ИП не изменяет влажности воздуха, что происходит с другими системами обогрева. Центральное отопление сушит воздух, а это приводит к увеличению простудных заболеваний и аллергических реакций, потому что от воздуха с пониженной влажностью пересыхает слизистая оболочка органов дыхания человека.

9. Инфракрасные пленки легко монтируется, ее может установить неспециалист этого дела.

10. Они универсальна, ее можно устанавливать во всех плоскостях помещения.

11. Для установленной ИП не требуется ремонт и техническое обслуживание.

Самое важное свойство инфракрасной пленки - ее излучение, которое лечит многие заболевания и, находясь в комнате с такими обогревателями вы получаете это целебное для организма воздействие.



6. Экспериментальное исследование ИП

Для изучения работы ИП были произведены экспериментальные замеры температуры и влажности воздуха в помещении размерами 6,6 Ч 2,5 Ч 3,6 м.

Перед началом эксперимента в помещении были перекрыты батареи центрального отопления и произведено проветривание. После чего в течении часа производился нагрев с помощью ИП мощностью 500 Вт.

Контрольные замеры производились каждые пол часа. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Время измерения, мин	Влажность воздуха, %	Температура воздуха,°С
0	29,9	23,3
30	31,3	24,8
60	32	26,1

В настоящее время в сети интернет огромное количество онлайн калькуляторов для расчёта систем отопления. Воспользуемся одним из них для расчета системы обогрева данного помещения на базе инфракрасного обогревателя. [9]

На рисунке 9 представлена форма используемого для расчета онлайн калькулятора.

С помощью данного калькулятора были произведены расчеты для разных температур наружного воздуха. Результаты вычислений представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Температура наружного воздуха,°С	Теплопотери, кВт	Мощность ИК-обогревателя, кВт	Мощность системы централизованного отопления, кВт
< -10	0,708	0,567	0,85
-10	0,81	0,648	0,972
-15	0,911	0,729	1,093
-20	1,012	0,81	1,214
-25	1,113	0,891	1,336
-30	1,214	0,972	1,457

На рисунке 10 представлена сравнительная диаграмма зависимости необходимой мощности обогревателя от температуры наружного воздуха.

Рисунок 9. Расчет системы обогрева помещения на базе инфракрасного обогревателя



Рисунок 10. Диаграмма зависимости необходимой мощности обогревателя от температуры наружного воздуха



7. Расчет энергопотребления инфракрасной пленки

При расчетах потребления электричества инфракрасной пленки необходимо четко разделять 2 понятия:

1. Необходимая выделенная мощность, или максимальное электропотребление 1 м² (пусковые токи)

Потребление инфракрасной пленки на 1 м² в час равно 150, или 220 Вт/м²
+/ - 10% (в зависимости от модели ИК пленки). При отоплении больших площадей, для снижения общей выделенной мощности применяется ИК пленка с максимальным потреблением 150 Вт/м². При включении инфракрасная пленка за 15 - 20 минут нагревается до температуры 50 - 55°С и будет держать ее постоянно - данный параметр обязательно принимать в расчет для расчета выделенной мощности для всей системы инфракрасного отопления. Если вам нужна температура пола 50 градусов-то пленка будет потреблять 150 или 220 Вт/м².

График времени нагрева и расхода электроэнергии инфракрасного теплого пола с потреблением 240 Вт/час при температуре пленки 55°С представлен на рисунке 11.

Рисунок 11.

То есть, при включении 10 м² пленки - будет максимально потреблять 2400 Вт или 2,4 кВт/час; 50 м² ИК пленки - максимальное потребление 12 кВт - при этом с помощью специальных программируемых автоматов управления нагрузкой вы можете сократить максимальную потребляемую мощность разделив помещения на зоны отопления которые будут нагреваться по очереди (зал, спальня, кухня) 4 + 4 + 3 кВт. Таким образом можно уменьшить максимальную необходимую мощность для отопления 50 м² ИК пленки с 12 до 4 кВт.

2. Потребление электроэнергии инфракрасной пленки (10 - 60 Вт/м² в час) - это реальное ежедневное потребление инфракрасного теплого пола (за которое предстоит платить) (рис. 12).

Рисунок 12. Потребление электроэнергии инфракрасной пленки

Инфракрасная пленка занимает большую площадь обогрева в помещении (от 40 - 70% всего помещения). Все тепло подымается снизу вверх прогревая все помещение.

Происходит очень быстрый нагрев - инфракрасная пленка очень быстро нагревается и при достижении заданной температуры и автоматически отключается.

Помещение имеет теплые стены (температура опускается медленно).

С помощью автоматического терморегулятора производится оптимальная настройка обогрева комнат (некоторые помещения (нежилые и хозяйственные (ванная, коридоры)) нет необходимости постоянно отапливать днем, или ночью.

За счет этого экономия от максимальной мощности инфракрасной пленки составляет 60 - 90%, если перевести данный параметр во время, то обогрев пленки включается на 6 - 25 минут в час. Точные цифры зависят от множества параметров (предназначение и объем помещения, материал и теплопроводность стен, количество окон, их размеры и модель (энергосберегающие стеклопакеты или нет) количество дверей и как часто их будут открывать, объем мебели, высота потолков, типа напольного покрытия и т.п.).

Для определения экономической рациональности использования ИП для отопления, произведём расчет энергопотребления инфракрасной пленки на загородный дом жилой площадью 167м² (рис. 13).

Рисунок 13.

Методика расчета: [6]

1) Считаем площадь каждого отапливаемого помещения (Длина Ч Ширина = S м²) и всех помещений в целом;

2) Считаем площадь застилаемой поверхности каждого помещения;

- для дополнительного отопления 40 - 50% от всего помещения;

- для основного отопления 60 - 70% от всего помещения;

3) Разделяем все помещения на зоны обогрева (где будет стоять терморегулятор) и считаем общую площадь и площадь застила для каждой зоны отопления.

Для достоверности расчетов применяем максимальные параметры потребления (с запасом) инфракрасной пленки 1 м² = 160 Вт/час (0,7 Ампер) U = 220 Вольт.

Правила для расчета зон отопления: [6]

1) Расстилается инфракрасная пленка в помещении полосами (рис. 14), минимальная ширина рулона пленки 50 см, или 1 метр.

Рисунок 14

2) Инфракрасную пленку не застилают под массивную мебель (имеющее большое и плотное соприкосновение с полом (шкафы, кровати, тумбы и т.п.)) и электрооборудование (стиральную машинку). Исключение: можно застилать пленку под мебель, если на мебели имеются высокие ножки от 10 см (диван) - есть свободное пространство для прохождения ИК лучей и тепла, это позволит избежать местного перегрева мебели и напольного покрытия.

3) В нежилых / хозяйственных помещениях возможно застилать пленку до 40 - 50% (в зоне контакта ног).

4) Для каждой зоны отопления необходимо будет установить отдельный терморегулятор, либо приобрести терморегулятор способный контролировать температуру пола одновременно в нескольких зонах. Количество зон обогрева можно изменять в зависимости от предназначения помещений, частоты его посещения, на усмотрение пользователя.

5) В среднем обычный терморегулятор рассчитан на максимальную нагрузку 3,6 кВт что составляет площади застила инфракрасной пленки 15 м² (при потреблении 240 Вт/м²) и 24 м² (при потреблении 150 Вт/м²). При составлении зон отопления необходимо обращать внимание на площадь застила пленки и максимальную мощность терморегулятора. К примеру потребление инфракрасной пленки площадью 20 м² будет максимально 4,8 кВт - для этого необходимо будет выбрать более мощный терморегулятор.

В таблице 4 представлены результаты расчета энергопотребления ИП для указанного загородного дома.

Таблица 4

Из таблицы 4 определяем, что для отопления дома площадью жилых и хозяйственных помещений 167 м² необходимо примерно 106 м² инфракрасной пленки.

Максимальная потребляемая мощность при этом 17 кВт (при одновременном включении обогрева всех помещений) что является недопустимо высоким показателем при условии что в среднем на весь дом выделяется максимум от 5 до 15 кВт.

Решить эту проблему помогает блок управления отоплением. Специальный автомат настраивают на поочередную работу каждой зоны отопления, таким образом автомат включает каждую зону по отдельности через определенный интервал времени, или по необходимости не давая помещениям остыть и не допуская одновременного включения всех зон отопления.

К примеру при выделенной мощности в 15 кВт на весь дом, автомат можно настроить:

- 6 кВт - освещение и электроприборы в доме;

- 9 кВт - на инфракрасное отопление загородного дома.

С помощью программируемого автомата мы можем объединить зоны отопления на 2 контура, к примеру:

- Контур 1 - первый этаж (Зона отопления 1 + Зона отопления 2 + Зона 3 = 8,3 кВт) будет включатся в первую очередь только на 5 минут, затем отключается и включается отопление загородного дома на втором этаже.

- Контур 2 (Зона отопления 4 + 5 + 6 = 8,6 кВт) так же на 5 минут.

Таким образом каждая зона отопления будет питаться каждые 5 минут. При нагретом доме и теплых стенах падение температуры за 5 минут очень незначительно. В результате мы получаем эффективную систему по снижению общей нагрузки (вместо необходимых 17 кВт используем 9 кВт на отопление) и экономию на расходах электричества. Блок управления отоплением позволяет разбить зоны отопления до четырёх контуров.

Расчет потребление электричества инфракрасного пола на 1 м²:

Реальное потребление электричества составляет от 10 до 60 Вт/м² в среднем на отопление загородного дома где инфракрасная пленка применяется как основной источник отопления 30 - 40 Вт/м². В Жилых многоквартирных домах где инфракрасное отопление используется в качестве дополнительного источника отопления 10 - 30 Вт/м².

Расходы на отопление в вашем доме зависят от:

- общей площади обогреваемого помещения,

- общей площади застилаемой пленки,

- тип напольного материала (кафель, ламинат, паркет, ковролин, линолиум),

- высота стен и потолков (объем помещения),

- материал и теплопроводность стен,

- количество и площадь окон, теплопроводность стеклопакетов и рам,

- количество дверей и как часто вы их будете открывать,

- объем мебели в помещении,

- теплопроводности межэтажного перекрытия,

- наличие дополнительных источников отопления.

Расчеты расходов на энергопотребление инфракрасной пленки:

Для максимальной уверенности и достоверности расчетов возьмем в среднем высокое энергопотребление инфракрасной пленки равное 40 Вт/м² в час (1/4/12 на одну минуту пленка включается, происходит нагрев пола до 25 градусов - отключается на 4 минуты - температура пола / помещения за 4 минуты должна остыть на 3 - 5 градусов, итого: 12 включений в течении часа).

Результаты вычислений представлены в таблице 5.

Таблица 5

Общая площадь дома	167	м2
Площадь застила ИК-плёнкой	106	м2
Расход электроэнергии на 1 м2	40	Вт/м2
Расход электроэнергии на дом	4 240	Вт/час
Расход электроэнергии на дом в день	101 760	Вт/день
Расход электроэнергии на дом в месяц	3 052 800	Вт/мес
Стоимость кВт/ч	1,71 р.
Оплате электроэнергии на дом	7,24 р.
Оплате электроэнергии на дом в день	173,81 р.
Оплате электроэнергии на дом в месяц	5 214,18 р.

Если стены хорошо утеплены и теплопотери минимальны, то на отопление загородного дома будет уходить 10 - 30 Вт/м².

Для нашего дома:

При расчете 30 Вт/м² оплата в месяц будет составлять 5 724 руб./месяц.

При расчете 20 Вт/м² оплата в месяц будет составлять 3 816 руб./месяц.



Заключение

В ходе выполнения работы была выполнена поставленная цель - произведено исследование системы отопления помещения с применением инфракрасной пленки. Так же были выполненные поставленные задачи:

- изучена система отопления с применением инфракрасной пленки;

- изучено устройство и виды инфракрасной пленки;

- произведён расчет эффективности системы отопления помещения с применением инфракрасной пленки по сравнению с централизованным отоплением;

- проведены экспериментальные измерения.

Можно сделать вывод, что инфракрасное тепло позволяет человеку комфортно чувствовать себя при довольно низких температурах окружающей его среды. С помощью одежды и отопления мы стараемся выровнять разницу между производством тепла организмом и отдачей её. Отдача тепла происходит в первую очередь путём излучения и конвекции. Чем больше скорость воздуха и разница температуры между телом человека и окружающим воздухом, тем больше отдача.

Инфракрасное тепло отдаётся в основном путём излучения и определяется изменением температуры окружающих стен и мебели. Мы не находим комфортных условий в помещении с высокой температурой воздуха, когда её стены очень холодные (здание стоящее на открытом месте), потому, что мы отдаём очень много тепла путём излучения. И, наоборот, несмотря, на довольно низкую температуру воздуха можно себя чувствовать довольно хорошо при соответственно высокой температуре стен. Задачей отопления является не содержание помещения при определённой температуре, а поддержание теплового равновесия человеческого организма.